泵内受迫湍流的涡动力学特征及其激励机制

Confined turbulent flow and excitation mechanism is the key to flow induced vibration in pumps. Research starts on the fundamental flow in staggered flat plate cascade. Boundary layer flow, wake, vortex shedding and wake interaction will be studied by means of flow visualization, measurement and LES numerical approach. Flow field data will be processed and discussed by vortex dynamics theory, Proper Orthogonal Decomposition (POD) and spectrum analysis. Multi-scales vortex structure of confined turbulent flow will be revealed as well as its temporal and spatial evolutions. Static pressure pulsation and structure vibration acceleration will be measured synchronously, which are used for excitation source identification. Cross-correlation function will be applied to present corresponding excitation features from vortex with different scales. Relations between vortex dynamics and structure response will be established from the analysis. Vortex induced vibration mechanism will be carried out in confined flow of cascade. Furthermore, vortex structures of confined turbulent flow in pumps with rotor-stator interaction (RSI) will be studied. In order to reveal the vortex induced vibration in pumps, structure responses from internal flow excitation will be measured and discussed. Pump internal flow excitation theory based on vortex dynamics will be established. Project research will provide a new explanatory on pump internal flow induced vibration and enrich the vortex induced vibration theory. It may help lay a foundation for effective control of confined flow. It could also support the vibration and noise reduction actively, and low noise design method researches of related equipment.

受迫湍流流动及其激励机制是泵内流激振动的关键问题。本项目从错列平板叶栅基础绕流问题入手，运用先进的流场显示、测量和LES数值计算方法，研究绕叶栅形成的受迫湍流边界层、尾迹、尾涡脱落及尾迹干涉等基础流动问题。基于涡动力学理论分析、本征正交分解、频谱分析等流场数据解读，揭示受迫湍流的多重尺度涡结构及其时空演化特征。通过同步采集压力脉动、结构响应等信号并进行激励源识别，采用互相关函数分析不同尺度涡所对应的激励特性，构建涡动-响应内在关联关系，探究叶栅受迫湍流单向涡激振动机制。继而探索泵内动/静干涉环境下的受迫湍流涡动力学结构，捕捉泵内流激励响应特性，试图揭示泵内的涡激振动机制，初步形成基于涡动力学的泵内流激励理论。项目研究成果将对泵内流激振动机理作出新诠释，丰富涡激振动理论，为泵内受迫湍流涡的有效控制奠定基础，也可为装备主动减振降噪、低噪声设计方法研究提供理论支撑。

受迫湍流流动及其激励机制是泵内流激振动的关键问题。本项目从错列平板叶栅基础绕流入手，研究绕叶栅形成的受迫湍流基础流动问题，揭示多重尺度涡结构及其时空演化特征；继而，对泵内动/静干涉环境下的受迫湍流涡动力学结构进行研究，捕捉泵内流激励响应特性，揭示泵内的涡激振动机制，初步形成泵内流激励理论。主要的研究内容及成果如下： .通过LES数值计算和PIV、LDA流场测量等试验手段，呈现了单平板、错列双平板以及四平板叶栅的复杂流动规律，成功捕捉到不同来流条件下的非稳态绕流流场典型涡结构形态及时空演化过程。在5000≤Re≤100000范围内，单平板绕流场可划分为“回流区、线性增长区、速度过渡区及缓慢增长区”四个典型的绕流区域；对于错列布置平板，上游平板速度特征频率明显偏大，且随着间距比增大，两平板之间速度谱差异减小；对于四平板叶栅绕流，间距较小时，各平板受升力波动幅值都较低，而间距较大时，平板受到升力波动幅值明显增大，各平板尾涡脱落频率一致。.基于前期单平板绕流的涡动-响应激励机制，对离心泵内部动静干涉条件下受迫湍流及涡动力学特征进行分析，特别针对隔舌附近的涡演化结构进行精细解析，构建出其与水力激励特性之间的关联关系。结果表明叶轮-隔舌的动静干涉作用是引起离心泵内部产生高水平压力脉动的主要激励源之一；在此基础上，通过改变叶轮叶片尾缘形状，发现对叶片尾缘修型可实现泵内流动激励水平的有效控制，其中EPS、EBS型尾缘可明显减小叶频及二倍叶频处的能量幅值，在额定流量下，EPS型尾缘监测点压力幅值下降21.5%。.本项目研究成果将对泵内流激振动机理作出新诠释，丰富涡激振动理论，为泵内受迫湍流涡的有效控制奠定基础，也可为装备主动减振降噪、低噪声设计方法研究提供理论支撑。.项目实施期间，发表相关学术期刊论文25篇、会议论文13篇，其中SCI收录12篇，EI收录10篇。项目组成员参加ASME-JSME-KSME联合流体机械会议2人次，参加国内工程热物理年会并做分组汇报11人次。项目负责人赴美国北卡罗莱纳州立大学开展访问学者合作研究1年，受邀赴澳洲皇家墨尔本理工大学、新西兰坎特伯雷大学、美国夏威夷大学短期学术交流共3次。授权国家发明专利6件。培养硕士研究生6人，博士研究生2人，青年教师1人。