变工况下船舶压载离心泵内部不稳定流动机理研究

Due to the complex sail condition, the flow rate and head of ballast pumps always changes, which requires pump can run effectively and stably under changing conditions. Under changing conditions, unsteady flow, such as rotation stall, flow separation and recirculation, occurs very possibly in ballast pumps. The unsteady flow in ballast centrifugal pumps for watercraft is researched in this project. The flow visualization techniques, including stereo PIV, dynamic pressure test, oil film, will be used to test the inner flow in the pump, which can provide essential experiment data and pressure frequency characteristics of flow field for the study. The DES method will be improved by using test data as boundary conditions, and the improved method will be applied to simulate the inner flow in the whole flow passage of the pump. Based on RBF neural net work and test data, the reconstruction method of the flow field, which can not be measured in the experiment, will be explored. The connection between the unsteady flow and the pump main parameters, and the effects of rotor-stator interactions on unsteady flow will be researched all together. The generation mechanism, loss configuration, transmission mode, and the control methods of the unsteady flow will also be investigated. The research fruits can provide the theoretical basis to eliminate or lighten the harmful effects of the unsteady flow in ballast centrifugal pumps for watercraft, which can improve the run efficiency and reliability of the pump, and reduce the vibration and noise.

船舶复杂的航行工况使得压载泵的流量扬程不断变化。变工况下泵内极易出现如旋转失速、流动分离和回流等不稳定流动，导致泵性能恶化。本项目针对变工况下船舶压载离心泵内部不稳定流动机理展开研究。拟综合采用立体PIV、动态压力测试和油膜法等流场显示技术对变工况下运行的泵内部流动进行连续测量，为研究不稳定流动提供必要的流场实测数据和压力频谱特征；以试验数据为边界条件，改进DES 数值方法；采用改进后的DES 方法模拟泵全流道内的流动；基于RBF 神经网络和试验数据，探索泵内无法测量区域的流场重构方法；研究不稳定流动与叶型、叶片数、喉部面积等泵主要几何参数间的关系，叶轮与压水室动静干涉作用对不稳定流动的影响，不稳定流动的产生机理、损失结构、传播方式和控制方法。项目研究成果能够为消除或减轻变工况下船舶压载泵内部不稳定流动的有害影响提供理论依据，有利于提高泵变工况下运行的效率和可靠性，降低振动和噪声。

压载水泵是船舶辅机中的重要设备之一。国内现有压载泵技术水平与国外有较大差距，严重制约了我国船舶工业的发展。因此迫切需要开展压载泵的应用基础研究，以提高我国压载泵的设计水平。由于船舶运行工况和工作条件需要不断调整，这就意味着压载泵一直处于变工况的运行条件下，这也是压载泵设计的难点所在。因此，掌握变工况下压载泵内部不稳定流动的流动规律对于消除或减轻不稳定流动引起的有害影响，从而提高压载泵的性能十分关键。. 本项目力图掌握船舶压载泵的内部不稳定流动机理，从而为压载泵的设计理论和方法提供参考。按照项目研究计划书，本项目的主要研究内容和研究成果如下。. （1）搭建了船舶压载泵瞬态性能测试试验台。该试验装置由水箱、进口闸阀、扭矩传感器及其显示仪、进口压力变送器、出口压力变送器、电磁流量计、气动调节阀、计算机、电机、DASP数据采集仪、船舶压载泵、出口阀门等部分组成，可实现压载泵变工况下能量性能和压力脉动等的测试。. （2）试验测试了压载泵变工况下的动态特性。无论是流量快速增加还是迅速降低，各个研究方案下各个测点压力脉动的主频为2APF。流量快速变化过程中，各个测点的压力开始结束时刻并未出现明显的冲击压力。. （3）通过UDF函数实现了压载泵进口流量的控制，进行了压载泵快速变工况下内流的数值模拟。在流量开始变化时刻和结束时刻，扬程出现了突增和突降，流量变化幅度越大，扬程的变化幅度越大；泵内压力存在冲击现象，且随着流量变化速率的增加，冲击压力也越来越大。. （4）研究了双吸叶轮叶片交错角对压载泵瞬态扬程和压力脉动的影响，为优化压载泵瞬态性能提供参考。研究表明当叶轮交错角为30°时的压力脉动主频幅值降低最大，降低幅度最高达到90%，且蜗壳内的高频脉动成分最少。. 本项目发表论文15篇，其中SCI检索7篇、EI检索3篇；申请发明专利2项；获省部级二等奖1项；培养士研究生2名。