轴流泵转轮和导叶非定常相干机理及其诱导压力脉动的研究

大型轴流泵运行稳定性是南水北调工程急需解决的难题之一，研究轴流泵内部非定常动/静相干机理和掌握内部压力脉动的根源是解决该问题的有效途径。本项目以轴流泵模型为研究对象，对轴流泵内部非定常流动及其诱导压力脉动进行基础科学研究。具体内容包括：理论分析设计工况下转轮旋转压力场和导叶静止压力场相干原理，基于傅里叶级数建立动/静相干压力场数学模型，并通过实验测量进行验证；采用非定常冻结转子交接面处理轴流泵中动静部件问题，讨论不同湍流模型在轴流泵非定常数值计算中的适用性，并通过数值计算研究不同工况下转轮和导叶相干的速度场和压力场时序性及其演化规律；通过数值模拟、PIV和压力脉动测量实验分析相干特性诱导压力脉动机理和规律，并在此基础上提出压力脉动控制策略和方法。本项目旨在揭示轴流泵内部非定常动/静相干机理及其诱导压力脉动的规律，为有效控制全工况下轴流泵内部压力脉动奠定理论和技术基础。

轴流泵叶轮与导叶的动静干涉以及尾迹流诱导的压力脉动是影响轴流泵机组振动的主要水力振动源之一，它可能会导致振动噪声、机组共振和叶片裂纹，并直接影响到大型泵站的安全运行，本项目取得的主要成果如下：.1.随着流量的增大，压力脉动幅值均方根（RMS）值曲线在叶轮进口处呈先降低后升高的趋势，在叶轮和导叶出口处呈逐渐降低趋势；转速越高，RMS值变化速率越快。通过频域分析得到，在三个转速下叶轮进口处的压力脉动主频都为叶频；叶轮出口压力脉动的频率范围主要分布在(0~8)倍转频（Fn）之间；在1450r/min、1200r/min转速下，其主频出现在(3~4)Fn之间；在1000r/min转速下，其主频往大频率方向有所偏移，主要集中在(4~6)Fn之间；导叶出口压力脉动的频率范围主要分布在(0~12)Fn之间；在1450r/min、1200r/min两个转速下，其主频出现在(4~6)Fn之间；在1000r/min转速下，其主频主要出现在(6~8)Fn之间。.2. 基于结构化网格，在考虑叶顶间隙的情况下，对轴流泵模型进行了不同的采样频率和采样时间的非定常数值计算，并通过PIV实验验证了计算结果的正确性。研究结果表明，当采样时间与叶轮周期和叶片数乘积的比值达到整数倍关系时，叶频及其倍频处不会发生频谱泄漏，并推荐了普遍适用于轴流泵压力脉动数值计算采样时间的选取公式。.3. 通过对不同转速下轴流泵压力脉动特性沿径向的分布规律进行统计和分析，发现当转速发生变化时，RMS值沿径向变化规律也发生了变化。从频域图可知，在叶轮出口，流道的中间和靠近轮毂区域出现较大分频幅值；在导叶出口，流道中间测点的分频幅值相对较高，靠近轮毂区域和流道外缘的测点分频幅值相对较低。.4. 通过对3个不同叶片数的叶轮方案的数值计算，分析了叶片数对轴流泵的压力脉动影响，发现叶轮出口压力脉动主要受其叶片压力面上方的一个高压区和叶片尾迹的影响，该高压区随着叶片数的增多，往叶片后缘方向偏移。随着叶片数增加，小流量工况下，叶轮进口和叶轮出口的压力脉动分频幅值逐渐减小，而导叶中间和导叶出口的分频幅值逐渐增大；在额定工况下，叶轮进口、叶轮出口和导叶中间的分频幅值随着叶片数增加逐渐减小，导叶出口的分频幅值随着叶片数增加逐渐增大；在大流量工况下，所有测点的压力脉动分频幅值随着叶片数增加都逐渐减小。