宋希杰 劉 超 楊 帆 查智力 嚴天序 黃佳衛(wèi)

(揚州大學水利與能源動力工程學院， 揚州 225100)

水泵進水池底部壓力脈動特性試驗

宋希杰 劉 超 楊 帆 查智力 嚴天序 黃佳衛(wèi)

(揚州大學水利與能源動力工程學院， 揚州 225100)

為了研究泵站進水池中喇叭管下方漩渦產(chǎn)生的機理，探索進水池底部喇叭管下方水流壓力脈動與漩渦產(chǎn)生的關(guān)系，在進水池底部喇叭管口下方布置20個壓力脈動監(jiān)測點，在轉(zhuǎn)速2 200 r/min時進行了多個不同工況點的壓力脈動試驗。通過對水流壓力脈動的時域特性、頻域特性及進水池底部喇叭管下方的壓力分布進行分析，揭示了軸流泵喇叭管下方水流壓力脈動的規(guī)律及壓力分布與漩渦之間的關(guān)系。進水池底部壓力脈動的主頻是葉輪轉(zhuǎn)頻的2倍，說明軸流泵進水池底部喇叭管下方水流的壓力脈動仍然受到葉輪旋轉(zhuǎn)的影響；大流量工況下，喇叭管下方容易產(chǎn)生漩渦，且發(fā)生頻率高，持續(xù)時間長，主要集中在喇叭管下方右前方的位置；小流量工況下，喇叭管下方也能產(chǎn)生漩渦，但發(fā)生頻率低，持續(xù)時間短，主要集中在喇叭管內(nèi)部正前方的位置。在不同工況下發(fā)生漩渦的位置與進水池底部喇叭管下方低壓區(qū)位置相對應(yīng)。

軸流泵； 進水池底部； 壓力傳感器； 壓力脈動； 模型試驗

引言

軸流泵流量大、揚程低，廣泛應(yīng)用于灌排泵站以及南水北調(diào)等大規(guī)?？缌饔蛘{(diào)水工程。進水池及水泵內(nèi)部復(fù)雜的運行狀況不僅會產(chǎn)生陣發(fā)性渦帶，導(dǎo)致水泵性能的大幅下降，甚至引起機組產(chǎn)生嚴重的振動和噪聲，嚴重影響泵站的安全穩(wěn)定運行[1-2]。

近年來國內(nèi)外學者針對水泵的壓力脈動做了大量試驗研究[3-5]，通過CFD數(shù)值模擬及模型試驗，對軸流泵內(nèi)部非穩(wěn)定流場的壓力脈動做了大量的研究，在水泵進出口管道上布置壓力脈動監(jiān)測點，對軸流泵內(nèi)部水流的壓力脈動特性進行了試驗，對其有了充分的了解[6-9]。但壓力脈動不僅發(fā)生在泵內(nèi)部，在水流進入喇叭管之前就已經(jīng)發(fā)生，目前針對泵外部壓力脈動對漩渦產(chǎn)生影響的研究很少。

針對這一問題，本文通過進水池底部喇叭管下方壓力脈動特性試驗研究，揭示水泵葉輪旋轉(zhuǎn)對進水池底部壓力脈動的影響。

1 試驗裝置

立式軸流泵裝置的能量性能試驗和壓力脈動試驗均在Ф120 mm立式軸流泵裝置試驗臺上進行。 葉輪直徑為120 mm，葉頂間隙為0.1 mm，輪轂直徑為48 mm，葉片數(shù)為4，葉片安放角為0°，導(dǎo)葉數(shù)為7。整個試驗臺由開敞式進水池、ISW150-200A型不銹鋼離心泵、PVC管道、穩(wěn)壓圓柱形水箱、D341型法蘭式不銹鋼軟密封蝶閥組成，如圖1所示。在進水池底部喇叭管下方布置了20個壓力脈動監(jiān)測點，測孔直徑為5 mm，安裝20個壓力傳感器，測點區(qū)域及具體位置如圖2所示。

圖1 立式軸流泵模型裝置試驗臺Fig.1 Experiment bench of axial-flow pump model device

圖2 壓力脈動測試位置圖Fig.2 Sketches of pressure pulsation test position1.測點區(qū)域 2.喇叭管

在能量性能試驗中，流量測量采用上海光華儀表有限公司生產(chǎn)的LDG-SDN150型電磁流量計，揚程測量采用EJA型智能壓差傳感器，扭矩及轉(zhuǎn)速測試采用JCO型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，各傳感器輸出端與Power link JW-3型顯示儀相連。在壓力脈動試驗中，采用成都泰斯特公司研制的高精密度、高穩(wěn)定度CY302系列智能數(shù)字壓力傳感器，其表壓測試范圍為0～60 MPa，測試精度為0.1%，采樣時間間隔為0.001～1 s。CY302標準輸出為485總線，通過該轉(zhuǎn)換器與集線器連接，一臺集線器可同時接入20支CY302傳感器，集線器通過網(wǎng)線與計算機相連，壓力測試軟件采用Smart Sensor壓力測試系統(tǒng)。

2 試驗結(jié)果與分析

本試驗的目的是研究進水池底部喇叭管下方水流的壓力脈動特性以及探究漩渦出現(xiàn)的位置與壓力分布之間的關(guān)系。通過觀察發(fā)現(xiàn)進水池水深為300 mm時漩渦產(chǎn)生情況最明顯，所以試驗方案進水池水深選為300 mm。本試驗方案是在轉(zhuǎn)速為2 200 r/min的情況下，進行0.8Qd、Qd和1.2Qd(Qd為設(shè)計工況點)3個不同工況點下的壓力脈動試驗。

2.1 試驗誤差分析

采用標準誤差對試驗數(shù)據(jù)進行可靠性評定。由于試驗數(shù)據(jù)量很大，選取部分實測數(shù)據(jù)進行試驗誤差分析。

(1)

(2)

式中m——測點數(shù)據(jù)組數(shù)

σ——試驗測量數(shù)據(jù)的標準誤差

通過對試驗數(shù)據(jù)進行標準誤差處理,得到σ=±0.08，試驗誤差為±0.08。

2.2 能量性能試驗結(jié)果

為了確定模型泵裝置的設(shè)計工況點，通過試驗得到模型泵裝置在轉(zhuǎn)速為2 200 r/min時的性能曲線。如圖3所示，泵裝置設(shè)計工況點Qd為32 L/s。

其中，壓力脈動測試試驗在不同工況點下的性能參數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖3 立式軸流泵模型裝置性能曲線Fig.3 Performance curves of model pump

工況點流量Q/(L·s-1)揚程H/m效率η/%轉(zhuǎn)速N/(r·min-1)扭矩/(N·m)功率/kW08Qd257224677182200372086Qd32121628767220030607112Qd385605375122200248054

2.3 壓力脈動試驗結(jié)果

由于測試環(huán)境的變化，采集設(shè)備在空載時可能存在零點漂移值，為了能更加準確地測試壓力的實際值，在測試之前采集零點值，在采集過程中扣除基準零點值。因為漩渦一旦產(chǎn)生持續(xù)時間很短，為準確地測量出漩渦發(fā)生時的壓力變化，設(shè)置采樣時長t為5 s，為準確地采集到進水池底部喇叭管下方的壓力，設(shè)置采樣時間間隔ts為傳感器最小采集時間，即ts=1 ms，針對3 000 r/min以下的轉(zhuǎn)速，均在本傳感器采集范圍內(nèi)，所以采樣頻率fs=1/ts=1 000 Hz能夠滿足2 200 r/min轉(zhuǎn)速下的壓力采集。通過參考相關(guān)關(guān)于壓力脈動試驗的文獻，在一個葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)壓力脈動數(shù)據(jù)采集點不低于16個[10]。本試驗水泵裝置，葉輪旋轉(zhuǎn)1周的時間T=1/N=0.027 s,而T/ts=27gt;16，所以能滿足數(shù)據(jù)采集條件。

2.3.1壓力脈動時域特性分析

根據(jù)進水池底部喇叭管下方漩渦發(fā)生時所對應(yīng)的位置，在不同工況點下，選取監(jiān)測點7、16、20進行壓力脈動時域特性分析。為了更好地分析壓力脈動的時域特性，引入無量綱壓力脈動系數(shù)

(3)

其中

式中p——各測點的瞬時壓力，kPa

ρ——水的密度，kg/m3

Utip——葉頂?shù)膱A周速度，m/s

r——葉輪半徑

定義葉輪旋轉(zhuǎn)周期數(shù)

式中ti——任一點信號的采集時間

本文時域圖中均為5個葉輪旋轉(zhuǎn)周期的壓力脈動數(shù)據(jù)。

(1)設(shè)計流量工況

設(shè)計流量工況點下3個監(jiān)測點的壓力脈動時域特性如圖4所示，有明顯的波峰和波谷，峰峰值達到0.004 5，在一個葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)具有2個波峰和波谷，測點7、16、20的壓力脈動幅值隨著距喇叭管中心距離的增大而增大，測點20最先達到壓力脈動波峰值，測點16和測點20壓力脈動時域特性相似性很大。單個壓力脈動周期內(nèi)，3個特征測點的壓力脈動系數(shù)逐漸降低。在2個壓力脈動周期交接的地方，測點7會出現(xiàn)微小的波動，而測點16和測點20會出現(xiàn)較大的波動。測點20壓力脈動最大幅值為測點7最大幅值的1.24倍。設(shè)計流量工況下喇叭管下方的壓力脈動整體在一定范圍內(nèi)。

(2)大流量工況

圖4 設(shè)計流量工況監(jiān)測點壓力脈動時域圖Fig.4 Time domain diagrams of monitoring points under design flow conditions

圖5 大流量工況監(jiān)測點壓力脈動時域圖Fig.5 Time domain diagrams of monitoring points under large flow conditions

大流量工況點下3個監(jiān)測點的壓力脈動時域特性如圖5所示，在一個葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)具有2個波峰和波谷；大流量工況下壓力脈動波動時域特性曲線會明顯紊亂，不同測點在不同葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的壓力脈動幅值不同，在大流量工況下測點7的峰峰值最大，達到0.01，測點16峰峰值0.008 2，測點20的峰峰值達到0.008，可以看出隨著半徑的增大壓力脈動幅值逐漸減小，同一測點的不同壓力脈動周期內(nèi)壓力脈動曲線變化也不同，相較于測點7，測點16和測點20的不同壓力脈動周期內(nèi)的壓力脈動相似性差，說明大流量工況進水池底部喇叭管下方壓力梯度大，存在劇烈的能量交換，這與此工況下泵裝置運行狀況差及容易產(chǎn)生漩渦相符。

(3)小流量工況

小流量工況點下3個監(jiān)測點的壓力脈動時域特性如圖6所示，3個時域圖均為近似正弦波形圖，壓力脈動曲線很有規(guī)律，峰峰值為0.006，在一個葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)具有2個波峰和2個波谷。小流量工況下壓力脈動幅值隨著與喇叭管中心距離的增大壓力脈動幅值逐漸減小，在喇叭管中心附近的測點7的峰峰值為測點20峰峰值的1.2倍，且在喇叭管附近的壓力脈動時域圖曲線明顯比測點20的壓力脈動時域曲線圖整齊，規(guī)律性強。

圖6 小流量工況監(jiān)測點壓力脈動時域圖Fig.6 Time domain diagrams of monitoring points under small flow conditions

可以看出，隨著流量的增大進水池底部的壓力脈動幅值先減小后增大，在設(shè)計工況點時峰峰值最小，在大流量工況點時的峰峰值最大，說明進水池底部的壓力脈動受到葉輪旋轉(zhuǎn)的影響，在大流量工況下進水池內(nèi)水流能量交換強度大，這與大流量時水泵裝置振動和噪聲顯著加劇的現(xiàn)象相符，這是因為泵裝置振動和噪聲一部分是由于壓力脈動造成的[8]。

2.3.2壓力脈動頻域特性分析

將壓力脈動試驗數(shù)據(jù)經(jīng)過加窗傅里葉函數(shù)變換處理[10-13]，分別得到1.2Qd、Qd、0.8Qd3個不同工況點下的壓力脈動頻域圖,如圖7～9所示。對不同流量工況下壓力脈動頻域分析發(fā)現(xiàn)，各測點壓力脈動的主頻為水泵葉輪轉(zhuǎn)頻的2倍，并且水泵葉頻為各測點壓力脈動主頻的2倍，這與葉輪內(nèi)部進出口壓力脈動的主頻等于葉頻有所不同[13-17]，這是由于葉輪內(nèi)部的壓力脈動直接受到葉片旋轉(zhuǎn)的作用。但是仍然說明進水池底部喇叭管口下方水流的壓力脈動與葉輪旋轉(zhuǎn)有很大的關(guān)系。

(1)設(shè)計流量工況

如圖7所示，在設(shè)計流量工況下右側(cè)測點1、2、4、5、8、9、11、20的壓力脈動幅值明顯高于左側(cè)測點3、6、7、10、13、14、15的壓力脈動幅值，壓力脈動系數(shù)最大值為0.000 56,不同測點壓力脈動系數(shù)曲線都有規(guī)律的波動減小，在3倍葉輪轉(zhuǎn)頻處會出現(xiàn)壓力脈動二次頻，說明喇叭管下方進水池底部右側(cè)水流壓力脈動比左側(cè)水流壓力脈動劇烈，進水池底部喇叭管下方在受葉輪旋轉(zhuǎn)作用的影響逐漸減弱。

圖7 設(shè)計流量工況監(jiān)測點壓力脈動頻域圖Fig.7 Frequency domain diagram of monitoring points under design flow conditions

(2)大流量工況

如圖8所示，在大流量工況下會發(fā)現(xiàn)壓力脈動頻域圖中不同測點之間壓力脈動主頻幅值出現(xiàn)了明顯的波動，測點5～13的壓力脈動幅值明顯低于其他測點的壓力脈動幅值，測點5～13主要集中在喇叭管下方來水側(cè)，這說明大流量工況下，整體上喇叭管下方背水側(cè)壓力脈動變化要強于來流側(cè)的壓力脈動變化，壓力脈動幅值大說明在此區(qū)域能量交換大，區(qū)域壓力梯度大。測點7、16、20壓力脈動的主頻出現(xiàn)在葉輪3倍轉(zhuǎn)頻處，說明在進水池底部喇叭管下方右前側(cè)出現(xiàn)最大壓力脈動變化要比其他測點出現(xiàn)最大壓力脈動變化晚1個葉輪旋轉(zhuǎn)周期，這導(dǎo)致明顯的壓差區(qū)，為漩渦的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。

圖8 大流量工況監(jiān)測點壓力脈動頻域圖Fig.8 Frequency domain diagram of monitoring points under large flow conditions

(3)小流量工況

如圖9所示，在小流量工況下，壓力脈動頻域圖中不同測點之間壓力脈動主頻幅值整體變化均勻，最大壓力脈動幅值為0.000 69。次頻幅值小，說明小流量工況下壓力脈動發(fā)生后，壓力脈動的影響消失得快。

圖9 小流量工況監(jiān)測點壓力脈動頻域圖Fig.9 Frequency domain diagram of monitoring points under small flow conditions

由3個不同流量工況下的壓力脈動頻域分析可以看出，隨著流量的增大，喇叭管下方進水池底部的壓力脈動幅度先逐漸減小后逐漸增大，在設(shè)計工況下對應(yīng)的各測點振動幅值最小，且振動幅值相對均勻整齊，由于大流量下進水池內(nèi)水流湍動能大，水流流場復(fù)雜，所以進水池底部壓力脈動在大流量工況下對應(yīng)的各測點振動幅值最大。

2.3.3進水池底部壓力分布分析

相關(guān)研究已經(jīng)采用流線的形式描述了流場中漩渦與流速之間的關(guān)系[14-18],而本文目的是探究漩渦與壓力之間的關(guān)系。

為便于分析，根據(jù)來流方向定義左側(cè)和右側(cè)，左側(cè)來流方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向一致稱為順水側(cè)，同理右側(cè)稱為逆水側(cè)[19-20]。

在試驗過程中當觀察到漩渦發(fā)生時開始采集壓力。利用壓力測試軟件Smart Sensor將采集的壓力進行加窗傅里葉變換并導(dǎo)出。在每一個工況下的壓力數(shù)據(jù)中，分別選取3組當漩渦發(fā)生時所對應(yīng)的1個葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)20個測點的平均壓力值，利用軟件Tecplot進行插值處理獲得進水池底部不同時刻的壓力云圖，如圖10～13所示。對于喇叭管吸入水流的進水結(jié)構(gòu)，實際上是水流匯入的紊流混摻區(qū)，極易發(fā)生漩渦。

(1)設(shè)計流量工況

圖10為設(shè)計流量工況下喇叭管下方進水池底部的壓力隨時間的壓力分布云圖。可以看出，此工況下進水池底部壓力分布均勻。左側(cè)整體的壓力略高于右側(cè)的壓力，高壓區(qū)集中在喇叭管中心處，低壓區(qū)主要分布在四周，隨著時間的改變，進水池底部的壓力也在改變，但壓力分布形式基本不變。這是由于在設(shè)計工況點下喇叭管下方流場的能量分布均勻。

圖10 設(shè)計流量工況下進水池底部壓力云圖Fig.10 Pressure cloud charts at bottom of suction passage under design flow conditions

圖11 大流量工況下進水池底部壓力云圖Fig.11 Pressure cloud charts at bottom of suction passage under large flow conditions

(2)大流量工況

圖11為喇叭管下方進水池底部在大流量工況下的壓力分布云圖，來水側(cè)的壓力要高于背水側(cè)，高壓區(qū)主要集中在右后側(cè)，低壓區(qū)集中在右前側(cè)的位置，如圖11所標注處。水流從水平來流方向轉(zhuǎn)向垂直方向進入喇叭管，在慣性作用下加快了能量的交換；通過壓力脈動頻域分析得到進水池底部喇叭管下方仍受到葉輪旋轉(zhuǎn)的影響，由于大流量工況下順水側(cè)效應(yīng)和逆水側(cè)效應(yīng)[8]，葉輪進口的水流受水流入角的影響不斷擴大，左側(cè)的入流角減小，右側(cè)的入流角增大，使水流條件異常紊亂。由圖11可以看出，伴隨著能量的交換，右后側(cè)的壓能不斷增加，右前側(cè)的壓力降低導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)動能積累，最終形成漩渦。這表明在大流量工況下，喇叭管下方壓力梯度大，水流能量交換變化大，水流異常紊亂形成較強的漩渦，進水條件惡化，軸流泵運行效率的下降能夠充分證明漩渦的產(chǎn)生，嚴重影響水泵機組的運行安全，應(yīng)采取消渦措施進行消渦處理。

圖12 大流量工況進水池底部漩渦位置圖Fig.12 Location map of vortex at bottom of suction passage under large flow conditions

在大流量工況下，隨著水流流態(tài)的惡化，在喇叭管下方進水池底板開始形成漩渦，如圖12所示，順著水流方向迅速向上發(fā)展，延伸至導(dǎo)水錐附近。渦管形成時間在1 s左右，持續(xù)時間為3～5 s，并且不斷地在圖12標出區(qū)域不斷移動。在漩渦出現(xiàn)期間，會明顯感覺到泵裝置噪聲強度增大。根據(jù)圖11中低壓區(qū)的位置和圖12漩渦發(fā)生的位置，可以發(fā)現(xiàn)大流量工況下喇叭管下方漩渦發(fā)生的位置與進水池底部喇叭管下方的低壓區(qū)位置一致。

(3)小流量工況

如圖13所示，在小流量工況下，進水側(cè)整體壓力略高于背水側(cè)的壓力，在喇叭管中心后側(cè)存在一個低壓區(qū)，在喇叭管中心的左側(cè)及右后側(cè)各存在一個高壓區(qū)，在小流量工況下喇叭管入口處的水流受順水側(cè)效應(yīng)和逆水側(cè)效應(yīng)的影響減小，喇叭管口左右兩側(cè)的能量分布均勻，導(dǎo)致小流量工況下低壓區(qū)的位置和大流量工況下低壓區(qū)位置從右前方轉(zhuǎn)移到喇叭管正前方。

小流量工況下水流流態(tài)平穩(wěn)，較大流量工況下感覺到泵裝置產(chǎn)生的噪聲明顯減小，在喇叭管中心后側(cè)出現(xiàn)一條極細的渦帶，持續(xù)時間短，且出現(xiàn)頻率很小，難以捕捉，漩渦出現(xiàn)的位置與喇叭管中心的距離增大，不過，此工況下漩渦發(fā)生的位置與圖13中低壓區(qū)的位置一致。

圖13 小流量工況進水池底部壓力云圖Fig.13 Pressure cloud charts at bottom of suction passage under small flow conditions

在不同工況下，運行工況改變時，旋轉(zhuǎn)動能變化，易于積聚，導(dǎo)致壓能減少，很容易產(chǎn)生漩渦。在大流量工況下，喇叭管下方附底渦出現(xiàn)的次數(shù)最多，漩渦持續(xù)時間長，相鄰漩渦之間時間間隔短，附底渦產(chǎn)生的位置靠近導(dǎo)水錐，影響水泵的安全運行，泵裝置振動強度大。在設(shè)計工況下水流流動平穩(wěn)，附底渦不易產(chǎn)生。在小流量工況下，雖然會產(chǎn)生附底渦，但漩渦出現(xiàn)頻率很低，且持續(xù)時間短。漩渦的發(fā)生嚴重影響水泵機組的安全運行，應(yīng)采取消渦措施進行消渦處理。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)壓力脈動時域特性分析得到，隨著流量的增加進水池底部水流的壓力脈動幅值先減小后增大，大流量工況下水流壓力脈動幅值最大，這與設(shè)計流量工況點下未產(chǎn)生漩渦和漩渦主要發(fā)生在大流量工況點下的現(xiàn)象一致。

(2)進水池底部的壓力脈動受到水泵葉輪旋轉(zhuǎn)影響，進水池底部水流壓力脈動的主頻為水泵葉輪轉(zhuǎn)頻的2倍，為水泵葉頻的0.5倍。

(3)在設(shè)計流量和小流量工況下進水池底部喇叭管下方壓力分布變化不大；在大流量工況下，壓力分布變化大，在喇叭管下方右前側(cè)的位置存在低壓區(qū)。在大流量工況下漩渦發(fā)生在喇叭管內(nèi)右前方的位置，持續(xù)時間長，發(fā)生次數(shù)多。小流量工況下漩渦發(fā)生在喇叭管內(nèi)正前方的位置，持續(xù)時間短，發(fā)生次數(shù)少，可以發(fā)現(xiàn)漩渦發(fā)生的位置與對應(yīng)工況下壓力分布中的低壓區(qū)位置相對應(yīng)，說明漩渦發(fā)生的位置與進水池底部喇叭管下方低壓區(qū)的位置相一致。

1 劉超.軸流泵系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展分析[J/OL].農(nóng)業(yè)機械學報,2015, 46(6): 49-59.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1amp;file_no=20150608amp;journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2015.06.008.

LIU Chao. Researches and developments of axial-flow pump system[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015, 46(6): 49-59. (in Chinese)

2 何耘.水泵進水池漩渦研究的主要進展[J].水力發(fā)電學報,2004,23(5):92-96.

HE Yun. Main advances of research on vortex in pump sumps[J].Journal of Hydroelectric Engineering, 2004，23(5):92-96. (in Chinese)

3 施衛(wèi)東,冷洪飛,張德勝,等.軸流泵內(nèi)部流場壓力脈動性能預(yù)測與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2011,42(5):44-48.

SHI Weidong, LENG Hongfei, ZHANG Desheng,et al. Performance prediction and experiment for pressure fluctuation of interior flow in axial-flow pump[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011,42(5):44-48. (in Chinese)

4 劉超,成立,周濟人,等.水泵站開敞進水池三維紊流數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2002,33(6):53-55.

LIU Chao, CHENG Li, ZHOU Jiren,et al. Numerical simulation of three-dimensional turbulent flow for opening pump sump[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2002,33(6):53-55. (in Chinese)

5 叢國輝,王福軍.湍流模型在泵站進水池漩渦模擬中的適用性研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2008,24(6):31-35.

CONG Guohui, WANG Fujun. Applicability of turbulence models in numerical simulation of vortex flow in pump sump[J].Transactions of the CSAE, 2008,24(6):31-35.(in Chinese)

6 楊帆,劉超,湯方平,等.箱涵式進水流道的立式軸流泵裝置水動力特性分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2014,30(4):62-69.

YANG Fan, LIU Chao, TANG Fangping, et al. Analysis of hydraulic performance for vertical axial-flow pumping system with cube-type inlet passage[J]. Transactions of the CSAE,2014, 30(4): 62-69. (in Chinese)

7 成立,劉超,周濟人.基于RNG湍流模型的雙向泵站出水流道流動計算[J].水科學進展, 2004,15(1):109-112.

8 仇寶云, 黃季艷, 林海江, 等. 立式軸流泵出水流道流場試驗研究[J], 機械工程學報，2005,41(11)：115-126.

9 張麗萍.非均勻來流條件下軸流泵內(nèi)部壓力脈動數(shù)值模擬研究[D].揚州：揚州大學，2013.

10 楊帆,金燕,劉超,等. 雙向潛水貫流泵裝置性能試驗與數(shù)值分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2012,28(16):60-67.

YANG Fan，JIN Yan，LIU Chao，et al． Numerical analysis and performance test on diving tubular pumping system with symmetric aerofoil blade[J]． Transactions of the CSAE，2012，28(16):60-67． (in Chinese)

11 SHINJI E, HIROYUKI T, HIDETOSHI H, et al. Characteristics of flow field and pressure fluctuation in complex turbulent flow in the third elbow of a triple elbow piping with small curvature radius in three-dimensional layout[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2016,41(17):7139-7145.

12 ARNDT N，ACOSTA A J，BRENNEN C E，et al． Frequency spectrum analysis of high frequency cycle square wave signal based on discrete fourier transform[J].ASME Journal of Turbomachinery，1999，120(3): 157-178．

13 ARNDT N，ACOSTA A J，BRENNEN C E，et al． Experimental investigation of rotor-stator interaction in a centrifugal pump with several vaned diffusers[J]. ASME Journal of Turbomachinery，1990，112(1): 98-108．

14 劉超,梁豪杰,金燕,等.立式軸流泵進水流場PIV測量[J/OL].農(nóng)業(yè)機械學報,2015,46(8):33-41. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1amp;file_no=20150806amp;journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2015.08.006.

LIU Chao,LIANG Haojie, JIN Yan, et al.PIV measurements of intake flow field in axial-flow pump[J/OL] .Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015,46(8):33-41. (in Chinese)

15 ARNDT N，ACOSTA A J，BRENEN C E，et al． Rotor-stator interaction in a diffuser pump[J]. ASME Journal of Turbomachinery，1989，111(3): 213 - 221．

16 張德勝,王海宇，施衛(wèi)東,等.軸流泵多工況壓力脈動特性試驗[J/OL].農(nóng)業(yè)機械學報,2014,45(11):139-144. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1amp;file_no=20141122amp;journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2014.11.022.

ZHANG Desheng, WANG Haiyu, SHI Weidong, etal. Experimental investigation of pressure fluctuation with multiple flow rates in scaled axial flow pump[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014,45(11):139-144. (in Chinese)

17 王福軍,張玲,張志民,等.軸流泵不穩(wěn)定流場的壓力脈動特性研究[J].水利學報,2007,38(8):1003-1009.

WANG Fujun, ZHANG Ling, ZHANG Zhimin, et al. Analysis on pressure fluctuation of unsteady flow in axial-flow pump[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2007,38(8):1003-1009. (in Chinese)

18 黃歡明, 高紅, 沈楓, 等.軸流泵內(nèi)流場的數(shù)值模擬與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報, 2008, 39(8):66-69.

HUANG Huanming, GAO Hong, SHEN Feng, et al.Numerical simulation and experimental validation of the flow field in axial flow pump[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2008, 39(8):66-69.(in Chinese)

19 姚捷，施衛(wèi)東，吳蘇青，等． 軸流泵壓力脈動數(shù)值計算與試驗[J/OL].農(nóng)業(yè)機械學報，2013，44(增刊1): 119-124．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=2013s122amp;flag=1amp;journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2013.S1.022.

YAO Jie，SHI Weidong，WU Suqing，et al． Numerical calculation and experiment on pressure fluctuation in axial flow pump[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2013,44(Supp.1): 119-124.(in Chinese)

20 張德勝，施衛(wèi)東，張華，等．不同湍流模型在軸流泵性能預(yù)測中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2012,28(1): 66-70．

ZHANG Desheng，SHI Weidong，ZHANG Hua，et al．Application of different turbulence model for predicting performance of axial flow pump[J].Transactions of the CSAE，2012,28(1): 66-70. (in Chinese)

ExperimentonCharacteristicsofPressureFluctuationatBottomofPumpingSuctionPassage

SONG Xijie LIU Chao YANG Fan ZHA Zhili YAN Tianxu HUANG Jiawei

(SchoolofHydraulicEnergyandPowerEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225100,China)

In order to study the mechanism of bottom vortex generation in the suction passage of pumping station, and explore the relationship between pressure pulsation and vortex generation under flare pipe at bottom of suction passage, 20 pressure pulsation monitoring points were evenly arranged at the bottom of suction passage in the form of concentric circular ring. At speed of 2 200 r/min, the pressure pulsations experiment under different flow conditions was done. By analyzing the time domain and frequency domain of pressure fluctuation and pressure distribution at the bottom of suction passage, the law of pressure pulsation at the bottom of suction passage of the axial flow pump was revealed. According to the analysis of pressure fluctuation time domain, the pressure fluctuation amplitude of the bottom water flow at the bottom of inlet basin was decreased and then increased with the increase of flow rate. The maximum pressure of the flow pressure was fluctuated under the large flow condition, which was the same as the design flow. No vortex and whirlpool occurred mainly in the case of large flow conditions. The experimental results showed that the pressure pulsation at the bottom of the suction passage was twice as high as that of the impeller, and there was no dominant frequency at impeller frequency, which indicated that the pressure pulsation at the bottom of the suction passage under the bell-tube of the axial flow pump was still affected by impeller rotation. Under large flow conditions, the vortex under the bell-tube was easy to produce with high frequency of occurrence and long duration. The position of the vortex under different working conditions was corresponded to the position of the low pressure zone at the bottom of suction below the bell-tube.

axial-flow pump; suction passage bottom; pressure sensor; pressure pulsation; model test

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.024

TH311

A

1000-1298(2017)11-0196-08

2017-03-02

2017-04-28

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2015BAD20B01-02)、國家自然科學基金項目(51279173、51609210)、江蘇省自然科學基金項目(BK20150457)、江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程項目(PAPD)和2017江蘇省研究生科研創(chuàng)新工程項目(KYCX17_1881)

宋希杰(1990—)，男，博士生，主要從事水利工程研究，E-mail: 1227321904@qq.com

劉超(1950—)，男，教授，主要從事泵站工程理論和應(yīng)用技術(shù)研究，E-mail: liuchao@yzu.edu.cn