沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 惠 彪 許 會(huì)

0 引言

離心泵的壓力脈動(dòng)是流體的不均勻流動(dòng)在離心泵中產(chǎn)生的某個(gè)位置某段時(shí)間的壓力變化。由于壓力脈動(dòng)是離心泵產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲的重要原因之一，很大程度上影響著離心泵運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此，分析離心泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)情況，能夠有助于提高系統(tǒng)工作品質(zhì)，達(dá)到降低振動(dòng)、噪聲的目的[1]。本文首先應(yīng)用CFD技術(shù)Fluent軟件，分析葉輪與蝸殼流道在不同工況下及不同位置處的壓力脈動(dòng)特性，揭示產(chǎn)生離心泵壓力脈動(dòng)的原因以降低離心泵的壓力脈動(dòng)，最終保證離心泵的正常穩(wěn)定工作。其次設(shè)計(jì)出測(cè)量的硬件和軟件系統(tǒng)，滿足試驗(yàn)的功能要求、制定試驗(yàn)的技術(shù)指標(biāo)，為后續(xù)的試驗(yàn)做基礎(chǔ)。

1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

1.1 三維造型

本文選某離心泵為研究對(duì)象，該泵的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下:葉輪進(jìn)口直徑D=116mm，葉片數(shù)z=6，設(shè)計(jì)流量Q=108m3/h，揚(yáng)程H=16m，轉(zhuǎn)速n=1500 r/min。計(jì)算模型包括進(jìn)水管、葉輪和蝸殼三個(gè)部分，利用Pro/E軟件分別建立三個(gè)部分的三維模型再進(jìn)行裝配，組件如圖1(a)所示[2]。

1.2 網(wǎng)格劃分

應(yīng)用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，用Gambit軟件對(duì)建立的離心泵三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[3]。最后劃分完的網(wǎng)格數(shù)為810705個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量在8.3左右滿足要求。圖1(b)為對(duì)圖1(a)劃分后的網(wǎng)格。

圖1 三維建模與網(wǎng)格劃分

2 數(shù)值計(jì)算

數(shù)值計(jì)算采用Fluent15.0軟件。

2.1 數(shù)值計(jì)算方法

采用基于質(zhì)量守恒定律的不可壓縮流體的雷諾時(shí)均控制方程和標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理。速度與壓力耦合方式采用SIMPLE算法，對(duì)流項(xiàng)均采用一階迎風(fēng)格式。定常計(jì)算時(shí)葉輪區(qū)域采用多重參考坐標(biāo)系MRF技術(shù)進(jìn)行處理，收斂精度設(shè)為10-3；在非定常計(jì)算中，葉輪區(qū)域采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，且以定常計(jì)算的結(jié)果作為非定常計(jì)算的初始值，有利于非定常計(jì)算的快速收斂，減少計(jì)算時(shí)間[4]。

2.2 邊界條件設(shè)置

(1)葉輪進(jìn)口采用速度進(jìn)口條件。在葉輪的進(jìn)口處加一段進(jìn)水管使進(jìn)入葉輪的流體充分流動(dòng)。

(2)蝸殼出口采用自由出流條件。流量加權(quán)設(shè)定為1，表示離心泵內(nèi)的流動(dòng)在蝸殼出口段已達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

(3)進(jìn)水管和蝸殼的壁面設(shè)定為固體壁面，采用無(wú)滑移邊界條件；葉輪除了耦合面外其余的所有壁面都設(shè)定為移動(dòng)壁面，采用旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系。

2.3 時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置

葉輪轉(zhuǎn)速為1500 r/min，設(shè)定葉輪每旋轉(zhuǎn)3°為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)[5]，則時(shí)間步長(zhǎng)值為3.33×10-4s。時(shí)間步數(shù)設(shè)定為130步，葉輪旋轉(zhuǎn)超過一周。

2.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

為了分析該離心泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)與不同位置的時(shí)域特性，在葉輪和蝸殼的中截面上布置8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中，在葉輪工作面和背面上取4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)Y1～Y4，在蝸殼的隔舌、蝸型段和出口處取4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)V5～V8，位置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置分布

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 定常數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖3是在進(jìn)口流量分別為0.8Q、1.0Q、1.2Q的三種不同工況下離心泵的靜壓分布云圖。由圖中可以看出：三種工況下，葉輪內(nèi)部的靜壓變化比較明顯，壓力脈動(dòng)表現(xiàn)劇烈；在蝸殼內(nèi)部，從蝸殼進(jìn)口到出口壓力沿蝸殼逐漸增加，蝸殼內(nèi)部的靜壓變化平緩。大工況下，蝸殼出口段的靜壓最大值和靜壓最大區(qū)域都在減小，這說(shuō)明流量的增加更有利于液體在離心泵內(nèi)部的流通，離心泵震動(dòng)和噪聲更小，離心泵能更穩(wěn)定的工作；隔舌部位的回流和沖擊形成的壓力波動(dòng)隨著進(jìn)口流量的增加，回流現(xiàn)象減弱。

圖3 靜壓分布云圖

3.2 非定常數(shù)值模擬結(jié)果分析

為有效反映不同工況下不同位置處的壓力脈動(dòng)特性，這里我們采用壓力系數(shù)[6]。壓力系數(shù)Cp定義如式(1)所示：

其中表示壓力與其平均壓力之差，Pa；ρ為流體的密度，m/s；u2為葉輪出口的圓周速度，m/s。

3.2.1 不同工況下的壓力脈動(dòng)特性

圖4(a)為三個(gè)工況下位于葉輪流道內(nèi)部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)Y3在一個(gè)周期內(nèi)的壓力脈動(dòng)時(shí)域特性。由圖可見，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)在三種工況下均具有非常明顯的周期性，曲線顯示規(guī)律的6個(gè)波峰和波谷。三個(gè)工況下的壓力脈動(dòng)幅度基本一致，但0.8Q下的壓力脈動(dòng)相比其他兩種較高，這是因?yàn)樾×髁繒r(shí)流體的波動(dòng)更劇烈。

3.2.2 不同位置處的壓力脈動(dòng)特性

圖4(b)為在設(shè)計(jì)工況下蝸殼流道內(nèi)部4處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域特性。由圖可見，蝸殼內(nèi)4處監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)的幅值有所不同，其中以靠近葉輪側(cè)的隔舌處監(jiān)測(cè)點(diǎn)V5的壓力脈動(dòng)幅值最大，這主要是因?yàn)殡S著葉輪的旋轉(zhuǎn)，葉輪葉片與蝸殼隔舌間的距離不斷變化，阻止葉輪流道中的流體進(jìn)入蝸殼出口，從而此處流動(dòng)受葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)影響較大。監(jiān)測(cè)點(diǎn)V7位于蝸殼流道中，此處基本沒有影響流道運(yùn)行的外界條件，流場(chǎng)隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)逐漸穩(wěn)定，因此此處壓力脈動(dòng)最小。

圖4 不同流量下與不同位置處的壓力脈動(dòng)時(shí)域特性

4 測(cè)量系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

在離心泵的模型和原型試驗(yàn)中，測(cè)試硬件系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理模塊與壓力傳感器等部分。系統(tǒng)中傳感器與被測(cè)設(shè)備完成各種試驗(yàn)參數(shù)的測(cè)量，輸出模擬信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路通過傳感器驅(qū)動(dòng)、模擬信號(hào)的放大、隔離和濾波等調(diào)理功能，將原始信號(hào)及傳感器的輸出接口到數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡在計(jì)算機(jī)端上位機(jī)的調(diào)控下高速采樣8個(gè)通道的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示壓力脈動(dòng)的波形數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)的采集。

4.1.1 壓力變送器

根據(jù)Fluent軟件仿真獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果，本文選擇符合試驗(yàn)要求的CYYZ31-45-DZ-14-B-G2型號(hào)壓力變送器，其參數(shù)指標(biāo)如下：壓力量程：-100～200kPa；輸出信號(hào)：0～10VDC；供電電壓：15～36VDC；精度等級(jí)：0.25%FS；外螺紋：M20*1.5；響應(yīng)頻率：模擬信號(hào)輸出 ≤ 500Hz、數(shù)字信號(hào)輸出 ≤ 5Hz。

4.1.2 數(shù)據(jù)采集卡

本文選用USB-6005采集卡在計(jì)算機(jī)的控制下對(duì)8個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速采樣，其主要參數(shù)如下：工作電源：4.75～5.25V，電流最小250MA；最高指令速度 ≤ 50MS。模擬輸入詳細(xì)參數(shù)如下：8路雙極性同步輸入，同時(shí)采集無(wú)時(shí)間差；輸入頻率在0～100KHz；輸入量程有±5V、±10V，最大輸入保護(hù)電壓±16V；輸入精度有16位，最大值65536，非線性誤差±0.01%[7]。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試軟件系統(tǒng)主要包括虛擬儀器驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)設(shè)置、采樣顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和后處理分析等幾個(gè)部分。虛擬儀器驅(qū)動(dòng)由數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序組成，為測(cè)試軟件提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。系統(tǒng)設(shè)置完成采樣頻率、采集量程、和通道配置等模擬量參數(shù)的設(shè)置，采樣顯示則完成波形的顯示及采樣結(jié)果的實(shí)時(shí)分析，它與系統(tǒng)設(shè)置組成了軟件系統(tǒng)的主要部分。

4.2.1 程序面板的設(shè)計(jì)

使用Labview軟件設(shè)計(jì)程序面板時(shí)，模擬采集部分是在設(shè)備內(nèi)部完成模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，通過analog_strat函數(shù)設(shè)置采集量程和采集頻率并將數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存緩存，再使用analog_fifo_data函數(shù)讀取緩存數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)的采集。不過，需要注意的是采集之前需要使用clr_fi fo_buffer清空USB設(shè)備緩存數(shù)據(jù)，以免造成數(shù)據(jù)采集的干擾[8]。

4.2.2 前面板的設(shè)計(jì)和程序打包

程序界面設(shè)計(jì)部分主要是波形圖的顯示，可以在“前面板”上按照自己的想法設(shè)計(jì)不同的背景顏色、排列方式等，最終設(shè)計(jì)界面如圖5所示。

圖5 采集系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)

5 結(jié)論

(1)小流量工況下，離心泵內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)不穩(wěn)定，壓力脈動(dòng)幅值比其他兩種工況更大；大流量工況下，蝸殼的隔舌和出口處會(huì)出現(xiàn)回流，導(dǎo)致此處會(huì)有壓力梯度。

(2)蝸殼隔舌靠近葉輪側(cè)的壓力脈動(dòng)幅值明顯高于靠近蝸殼流道側(cè)，這主要因?yàn)楦羯喔浇牧饔虮容^復(fù)雜，與葉片的旋轉(zhuǎn)位置有關(guān)。葉輪出口處壓力脈動(dòng)特性值很大，這主要是由葉輪和蝸殼的動(dòng)靜干涉引起的。

(3)壓力脈動(dòng)主要產(chǎn)生于葉輪出口與蝸殼的交界面處，影響離心泵的正常穩(wěn)定運(yùn)行，研究離心泵的壓力脈動(dòng)特性，對(duì)降低離心泵損耗、減小振動(dòng)噪聲等問題，在理論上有一定的指導(dǎo)意義。

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