流道喷砂与涂层对水泵压力脉动特性影响研究

压力脉动是水泵运行过程中最典型的非稳态特性。过去往往从水力因素及结构因素方面对其进行分析，而对流道粗糙度对其产生的影响很少给予关注。本项目以实验测试和数值模拟为基本手段，以较准确预测流道粗糙度与压力脉动关系为目标，重点研究流道喷砂和涂层后，水泵蜗壳及叶轮内部压力脉动随表面粗糙度变化的情况。课题拟对多组叶轮和泵体进行不同喷砂涂层方案处理，在得到不同的表面粗糙度后进行全流量范围的压力脉动实验测试。在数值模拟方法方面，将以较准确地计算近壁区流场结构及压力脉动为主要目标，建立将湍流核心区流动与近壁区低雷诺数流动结合在一起的新的流场解法，以更好地预测壁面粗糙度的影响。在此基础上，提出水泵壁面减阻与降低压力脉动的综合控制策略，为水泵的安全高效运行提供科学依据。

压力脉动是水泵运行稳定性的重要指标。到目前为止，我们尚不明确流道粗糙度对水泵压力脉动有何具体影响。因此，研究水泵流道喷砂与涂层对压力脉动的影响，对提高大型水泵运行稳定性具有重要意义。本项目通过物理实验的方法，研究了流道喷砂和涂层对离心泵压力脉动的影响。针对国内普遍使用的双吸离心泵，设计制造了多组叶轮，分别采用喷砂和涂层方式进行壁面处理，得到了具有不同表面粗糙度的叶轮和泵体。然后在水泵试验台上分别进行了能量试验、空化试验和压力脉动试验，建立了水泵性能与壁面粗糙度的关系。研究发现，随着壁面粗糙度的下降，水泵扬程、效率、空化指标均显著提高。当壁面粗糙度从100μm（对应于无涂层）下降到25μm（对应于有涂层）后，水泵最优效率平均提高5.4%。但是，粗糙度对压力脉动的影响并不具有一致性。对于水力效率比较低的叶轮，在进行涂层处理后，泵内压力脉动显著下降，下降幅度可达6倍；而对于水力效率比较高的叶轮，在涂层处理后，水泵压力脉动虽有所下降，但不显著。粗糙度对压力脉动的影响，与水泵叶轮型式密切相关。为此，在该项目中，进行了附加实验，研究了叶轮型式，特别是双吸离心泵叶轮交错角度对压力脉动的影响。研究发现，采用V形交错叶轮的结构型式，并同时控制叶片载荷曲线，可显著降低双吸离心泵压力脉动。该项目还同时在数值计算方法方面研究了壁面粗糙度对离心泵压力脉动的影响，发展了将湍流核心区流动与近壁区低雷诺数流动结合在一起的新的流场解法，更好地预测了壁面粗糙度为压力脉动的影响。在实验和数值计算的基础上，提出了有效控制离心泵压力脉动的途径。该项目取得的研究成果，为降低离心泵压力脉动、提高运行稳定性，提供了科学依据。