基于PANS的多级离心泵内流时序效应机理研究

For multistage pumps, usually the power is very big and the energy consumption is high. Therefore, it is urgent to improve the performance of multistage pumps for energy saving and emission reduction. In this project, multistage pumps with guide vanes are selected as research models, and the flow interference mechanism between stages and the clocking optimization are studied to improve the efficiency and stability. The TR- PIV and transient pressure measurement are used to test the inner flow in multistage pumps with guide vanes. Develop the hybrid turbulence model by accurate calculation of eddy viscosity and use the PANS model to simulate the whole flow field in multistage pumps with guide vanes. Research the flow interference structure and feature between pump stages. More attention will be given to the development, propagation of the unsteady flow and its effects on the loss structure. Research the existence form, effects pattern and the control method of the clocking in multistage pumps with guide vanes. Also, the effects of blade number and axial distance on clocking effect will be studied in detail, which is useful to build the performance optimization method based on clocking effects. The research results can develop the design theory and method of multistage pumps in China.

本项目以多级导叶式离心泵为研究对象，开展多级离心泵级间流动时序效应机理研究，以提高其运行效率和稳定性。拟综合采用TR-PIV测试和动态压力测试分别对多级导叶式离心泵内部流动进行测量；建立涡粘系数的准确计算方法，发展PANS 混合模型，模拟多级导叶式离心泵全流道内的三维流动。研究多级导叶式离心泵级间流动的非定常干涉结构和特征，特别是叶片尾迹等不稳定流动的产生、发展和传播机理及其对损失结构的影响；研究时序效应在多级导叶式离心泵中的存在形式、影响大小、作用机理和控制方式。研究叶片数和轴向距离等关键参数对时序效应作用的影响，探索基于时序效应的多级导叶式离心泵性能优化方法。研究成果能够丰富和发展我国多级离心泵内流理论与设计方法。

多级离心泵广泛应用于消防、冶金、化工和电力等国民经济的重要领域。本项目力图掌握多级离心泵级间流动的干涉机理，建立多级离心泵时序优化方法，从而为丰富和发展多级离心泵水力优化设计理论。本项目的主要研究内容和成果如下。. （1）研究了2级叶轮和导叶时序角度对多级泵性能的影响规律。研究发现叶轮和导叶时序对多级泵能量性能影响较小，但对多级泵内压力脉动、径向力、轴向力和流激振动等动力学特性有较大影响，当交错角度为叶片包角的一半时影响最大且叶轮时序的作用大于导叶的时序作用。. （2）搭建了多级泵时序效应多场特性的同步测试试验台。设计加工了5级节段式多级模型泵，搭建了多级泵时序效应多场性能同步测试试验台，实现了能量性能、压力脉动和流激振动等性能同步测试，并基于正交试验设计了叶轮和导叶的时序试验方案。. （3）试验研究了多级泵叶轮时序和导叶时序对泵性能的影响规律。研究发现叶轮时序和导叶时序变化时泵扬程和效率在全流量范围内变化不显著；设计工况下，叶轮时序和导叶时序的调整可以有效降低流激振动主要峰值频率处的幅值，最大降幅分别达55.1%和30%。. （4）掌握了多级泵叶轮时序和导叶时序最优布置方案。多级泵上游叶轮应连续两级同步时序布置，末级叶轮的上游两级应同步时序布置，中间级应叶轮应避免连续同步时序布置；多级泵导叶时序应各级间间隔布置，这样可以有效抑制流激振动。. （5）探索了多级泵叶轮时序和导叶时序的内流机理。叶轮时序和导叶时序的变化会引起同一时刻下多级泵流道内压力的瞬态波动相位发生偏移，最大偏移达90度，从而有效降低泵流激振动。. 本项目发表论文14篇，其中SCI检索6篇、EI检索5篇；申请发明专利5件，授权发明专利4件；获教育部科技进步二等奖1项；培养硕士研究生4名、博士研究生1名。