吳東磊，鄭源*，薛海朋，戴慶云，張玉全，劉衛(wèi)東

(1. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院， 江蘇 南京 210098；2. 江蘇省秦淮河水利工程管理處， 江蘇 南京 210001)

貫流泵具有低揚(yáng)程、大流量的特點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于排澇防洪、抗旱救災(zāi)以及農(nóng)田灌溉等領(lǐng)域.隨著對(duì)輸水工程以及灌溉排澇的要求越來越高，對(duì)貫流泵自身的性能也提出了更高的要求.國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同類型的泵內(nèi)部流場(chǎng)以及流動(dòng)特性做了大量的研究.施衛(wèi)東等[2]為了獲得軸流泵的壓力脈動(dòng)特性,對(duì)軸流泵全流場(chǎng)進(jìn)行了非定常數(shù)值計(jì)算,并分析不同的采樣頻率和采樣時(shí)間對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響.周穎等[3]對(duì)南水北調(diào)東線工程某泵站機(jī)組進(jìn)行了全流道數(shù)值計(jì)算，研究泵站機(jī)組在反向發(fā)電工況時(shí)的壓力脈動(dòng)及應(yīng)力分布規(guī)律.鄭源等[4]采用物理模型試驗(yàn)方法，研究了軸流泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)在不同葉片安放角度和揚(yáng)程下的變化規(guī)律及特性,并進(jìn)行了幅值和頻譜分析.姚志峰等[5]在研究雙吸離心泵壓力脈動(dòng)特性時(shí)發(fā)現(xiàn)流道噴涂可有效降低水力損失.周勤等[6]采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬了水輪機(jī)甩負(fù)荷工況時(shí)的瞬時(shí)變化情況,分析了水輪機(jī)壓力脈動(dòng)和轉(zhuǎn)輪受力變化規(guī)律及其演變的內(nèi)流機(jī)理.湯方平等[7]應(yīng)用數(shù)值計(jì)算的方法獲得了軸流泵內(nèi)的壓力脈動(dòng)變化情況,并通過與實(shí)測(cè)揚(yáng)程和效率的對(duì)比,證明了數(shù)值計(jì)算方法的可行性及可靠性.

泵內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)復(fù)雜，壓力脈動(dòng)試驗(yàn)研究具有測(cè)量困難、周期長(zhǎng)、成本高等不利因素.以往相關(guān)的研究成果主要集中在離心泵[5]、軸流泵[8-9]和混流泵[10-11]，而涉及軸伸貫流泵的研究則相對(duì)較少，尤其是對(duì)多工況下軸伸貫流泵內(nèi)部流場(chǎng)壓力脈動(dòng)特性的研究鮮見文獻(xiàn)報(bào)道.文中以江蘇南京某泵站軸伸貫流泵為研究對(duì)象，采用三維湍流數(shù)值模擬并結(jié)合真機(jī)試驗(yàn)，對(duì)多工況下軸伸貫流泵內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行研究，通過對(duì)比不同工況下泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)變化，揭示軸伸貫流泵內(nèi)部真實(shí)的壓力脈動(dòng)分布特性，為機(jī)組維護(hù)和泵站安全運(yùn)行提供一定參考.

1 數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

軸伸貫流泵計(jì)算模型包括進(jìn)水流道、前置導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪區(qū)、后置導(dǎo)葉以及出水流道.泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)分別為設(shè)計(jì)流量Qd=10 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程H=2.5 m，額定轉(zhuǎn)速n=250 r/min，葉輪直徑D=1.7 m，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)Z=4.圖1為模型泵計(jì)算流道，計(jì)算域包括進(jìn)水流道、前后導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪以及出水流道.

圖1 軸伸貫流泵模型全流道

采用ICEM CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮模型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及計(jì)算機(jī)資源的有效利用，選擇非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并采用邊界層網(wǎng)格捕捉近壁區(qū)流動(dòng).對(duì)轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)葉部分等關(guān)鍵部位進(jìn)行局部加密，經(jīng)無關(guān)性驗(yàn)證，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)373萬時(shí)，揚(yáng)程波動(dòng)小于1%，此時(shí)各主要過流部件劃分網(wǎng)格單元數(shù)分別為進(jìn)水流道298 985，前導(dǎo)葉體363 400，轉(zhuǎn)輪體2 139 958，導(dǎo)葉體680 684，出水流道255 798，共計(jì)3 738 825個(gè)網(wǎng)格單元，網(wǎng)格質(zhì)量控制在0.6以上.

1.2 計(jì)算方法及邊界條件

采用三維雷諾時(shí)均N-S方程和RNGk-ε湍流模型描述軸伸貫流泵內(nèi)部流體的湍流流動(dòng).采用質(zhì)量流量進(jìn)口，出口設(shè)置為自由出流邊界條件.固體壁面采用無滑移條件.先對(duì)模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，在穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果上再進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，計(jì)算殘差設(shè)為10-4.在對(duì)軸伸貫流泵各工況下進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)，轉(zhuǎn)輪體區(qū)域采用滑動(dòng)網(wǎng)格技術(shù).設(shè)置非定常計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)為0.005 s，采樣時(shí)間為10個(gè)周期.

1.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

前導(dǎo)葉進(jìn)口截面沿徑向均勻布置2組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為a1，a2，a3，a4；在葉輪進(jìn)口沿輪轂到輪緣的方向均勻布置2組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為b1，b2，b3，b4；在轉(zhuǎn)輪出口沿徑向布置2組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為c1，c2，c3，c4；在導(dǎo)葉出口沿輪轂到輪緣的方向，均勻布置2組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為d1，d2，d3，d4.各監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示.

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

1.4 真機(jī)試驗(yàn)

秦淮新河水利樞紐位于南京市雨花臺(tái)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)秦淮新河入江口處.泵站現(xiàn)有5臺(tái)臥式軸伸貫流泵，平面“S”型流道，設(shè)計(jì)流量50 m3/s，通過改變?nèi)~輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向，可實(shí)現(xiàn)灌排兩用功能.

選擇5號(hào)機(jī)組安裝試驗(yàn)儀器進(jìn)行測(cè)量，真機(jī)測(cè)試轉(zhuǎn)速為250 r/min.選用昆山御賓電子科技有限公司提供的HPT900高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器，精度0.5%.壓力傳感器實(shí)物及布置如圖3所示.

圖3 測(cè)試用壓力傳感器實(shí)物及布置

圖4為貫流泵壓力脈動(dòng)時(shí)域及頻域試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比，可以看出：數(shù)值模擬所得結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，試驗(yàn)與數(shù)值模擬在轉(zhuǎn)輪前段的壓力脈動(dòng)時(shí)域信號(hào)波形一致，幅值相同，周期性規(guī)律也很好吻合；在前導(dǎo)葉前段略有誤差，但波形一致，幅值略有偏差.這表明該數(shù)值計(jì)算方法是可靠的.

圖4 數(shù)據(jù)對(duì)比

2 壓力脈動(dòng)時(shí)頻域分析

2.1 時(shí)域分析

圖5為各截面監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同工況時(shí)的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖，可以看出，各截面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)都呈一定的周期性變化.

在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口截面上，一個(gè)周期內(nèi)存在4個(gè)波峰和波谷，這與轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)相同.小流量工況時(shí)，負(fù)壓過大，運(yùn)行極不安全，易損壞葉片.在轉(zhuǎn)輪出口截面，受無葉區(qū)動(dòng)靜干涉影響，流體流動(dòng)復(fù)雜，尤其在小流量工況，壓力脈動(dòng)峰值較大，波形雜亂.在導(dǎo)葉出口截面，受進(jìn)口處動(dòng)靜干涉影響，同時(shí)在導(dǎo)葉區(qū)內(nèi)流體撞擊導(dǎo)葉，壓力脈動(dòng)存在明顯抖動(dòng).在前導(dǎo)進(jìn)口截面上，設(shè)計(jì)工況下的壓力脈動(dòng)變化相對(duì)平穩(wěn)，而在小流量工況下，壓力脈動(dòng)仍抖動(dòng)明顯.

圖5 時(shí)域圖

在貫流泵轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉之間，由于受動(dòng)靜干涉的影響，流體流動(dòng)較為紊亂，壓力脈動(dòng)變化劇烈.在轉(zhuǎn)輪出口截面，由于受動(dòng)靜干涉的影響，流體流動(dòng)變得十分紊亂，尤其在小流量工況下，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)變化劇烈，隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離這一區(qū)域，轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉作用逐漸減弱，壓力脈動(dòng)幅值也逐步減少.

2.2 頻域分析

采用快速傅里葉變換(FFT)分析各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)的頻率成分，如圖6所示.

由圖6a可以看出：前導(dǎo)葉進(jìn)口截面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在大流量工況和額定流量工況下壓力脈動(dòng)的主頻為轉(zhuǎn)頻，而在小流量工況下，流動(dòng)較為紊亂，壓力脈動(dòng)的主頻為葉片通過頻率，在低頻段脈動(dòng)頻率成分復(fù)雜，出現(xiàn)了不同程度的次頻波；在大流量工況和額定工況下，在頻率5～20 Hz都有不同程度的次頻產(chǎn)生，其中在16.5，20.8 Hz附近的次頻最為明顯，與葉片通過頻率和前導(dǎo)葉通過頻率相同.

圖6 頻域圖

由圖6b可以看出：轉(zhuǎn)輪進(jìn)口截面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在各流量工況下的壓力脈動(dòng)主頻為葉片通過頻率；在小流量工況下，流動(dòng)相對(duì)紊亂，低頻波段脈動(dòng)頻率成分復(fù)雜，出現(xiàn)不同程度的次頻波；在額定工況下，流動(dòng)平穩(wěn)，主要受葉片通過頻率的影響，基本未受到轉(zhuǎn)頻和前導(dǎo)葉通過頻率的影響；在大流量工況下，在4.2，20.8 Hz附近的次頻最為明顯，與轉(zhuǎn)頻和前導(dǎo)葉通過頻率相同.

由圖6c可以看出：轉(zhuǎn)輪出口截面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在各流量工況下的壓力脈動(dòng)主頻依然為葉片通過頻率；在小流量工況下，流動(dòng)比較紊亂，低頻段壓力脈動(dòng)頻率較為復(fù)雜，在近輪轂處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)c1，c3處的壓力脈動(dòng)頻率主頻為轉(zhuǎn)頻，而近輪緣處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)c2，c4處的壓力脈動(dòng)頻率主頻為葉片通過頻率；在大流量工況和額定工況下，低頻段出現(xiàn)明顯的次頻，頻率為4.2 Hz.

由圖6d可以看出：導(dǎo)葉出口截面處在小流量工況下，流動(dòng)極為紊亂，低頻段壓力脈動(dòng)極為復(fù)雜，截面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的主頻不明顯，波動(dòng)劇烈且幅值相近，出現(xiàn)了不同程度的次頻波；在大流量工況和額定工況下，流動(dòng)變得較為穩(wěn)定，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)主頻為轉(zhuǎn)頻，在16.5，20.8 Hz附近的次頻最為明顯，與葉片通過頻率和前導(dǎo)葉通過頻率相同.

2.3 壓力脈動(dòng)分析

圖7為各截面在不同工況下的壓力脈動(dòng)云圖.由圖7a可以看出：隨著流量的增大，前導(dǎo)進(jìn)口截面的壓力也增大；進(jìn)口截面上，近輪轂處壓力脈動(dòng)較低，而在輪緣處壓力較高；壓力脈動(dòng)分布與前導(dǎo)葉數(shù)有關(guān)，各流量工況下分布規(guī)律一致，在前導(dǎo)葉進(jìn)口處壓力脈動(dòng)明顯升高，前導(dǎo)葉近輪緣處的壓力脈動(dòng)最高.由圖7b可以看出：不同工況下轉(zhuǎn)輪進(jìn)口截面上分布著4個(gè)高壓區(qū)和4個(gè)低壓區(qū)，在相鄰2個(gè)高、低壓區(qū)之間是轉(zhuǎn)輪葉片水流進(jìn)口處，由于水流進(jìn)入轉(zhuǎn)輪室的流動(dòng)情況復(fù)雜，易產(chǎn)生回流，在進(jìn)口處形成一個(gè)高低壓并存的區(qū)域；在低壓區(qū)壓力脈動(dòng)急劇下降容易產(chǎn)生空化，對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片造成破壞，同時(shí)受水體流動(dòng)壓力脈動(dòng)的劇烈變化容易產(chǎn)生振動(dòng)，引起葉片損壞，尤其在小流量工況下，高低壓波動(dòng)劇烈，低壓急劇下降，極易產(chǎn)生空化，對(duì)葉片形成破壞.

圖7 瞬時(shí)壓力分布

由圖7c可以看出：水流從轉(zhuǎn)輪室流出，受到轉(zhuǎn)輪葉片和導(dǎo)葉的影響明顯，近輪緣處壓力脈動(dòng)較高，而在近輪轂處壓力脈動(dòng)偏低；在小流量工況下，存在4個(gè)明顯的低壓區(qū)，壓力脈動(dòng)分布和轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)有關(guān)；隨著流量的增大，截面上出現(xiàn)了7個(gè)高、低壓并存區(qū)域，壓力波動(dòng)明顯，容易產(chǎn)生振動(dòng)，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也會(huì)影響到轉(zhuǎn)輪葉片和導(dǎo)葉的損壞.由于轉(zhuǎn)輪葉片與導(dǎo)葉片之間動(dòng)靜干涉作用會(huì)影響壓力脈動(dòng)，從而引發(fā)嚴(yán)重的水力激振，對(duì)機(jī)組造成極大的破壞，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)應(yīng)避免小流量工況.機(jī)組在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，可以有效消除轉(zhuǎn)輪葉片和導(dǎo)葉片之間的動(dòng)靜干涉對(duì)壓力脈動(dòng)的影響.

3 結(jié) 論

1) 基于三維雷諾時(shí)均N-S方程和RNGk-ε湍流模型，對(duì)低水頭下軸伸貫流泵壓力脈動(dòng)的數(shù)值模擬方法是可靠的，預(yù)測(cè)得到的設(shè)計(jì)工況下轉(zhuǎn)輪進(jìn)口截面的壓力脈動(dòng)主頻與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果相符，說明文中數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可信度高.

2) 軸伸貫流泵轉(zhuǎn)輪區(qū)在不同流量工況下壓力脈動(dòng)主頻均為葉頻，在前導(dǎo)葉進(jìn)口及導(dǎo)葉出口處壓力脈動(dòng)主頻為轉(zhuǎn)頻.轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口截面監(jiān)測(cè)點(diǎn)由于靠近轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)壓力場(chǎng)，壓力脈動(dòng)周期性變化規(guī)律好，時(shí)域波形的波峰和波谷數(shù)與轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)相同.

3) 在轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉之間區(qū)域，受無葉區(qū)動(dòng)靜干涉影響，流動(dòng)較為紊亂，壓力脈動(dòng)波動(dòng)明顯.由于流體在導(dǎo)葉中的撞擊和回流，壓力脈動(dòng)頻譜波動(dòng)劇烈，尤其是在小流量工況下更為明顯，存在明顯的抖動(dòng)，運(yùn)行時(shí)應(yīng)盡量避免在這一工況區(qū)下運(yùn)行.