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水 利 学 报 SHUILIXUEBA0 第46卷第4期 文章编号2015)04—0497—08 不同叶顶间隙下斜流泵轮缘压力脉动特性的数值分析 黎义斌l’2毕祯1，李仁年“2胡鹏林1，周栋3 730050 (1．兰州理f：大学能源与动力工程学院。甘肃兰州730050；2．甘肃省流体机械及系统重点实验室，甘肃兰州 3．湖南湘电长沙水泵有限公司，湖南长沙410205) 摘要：为了阐明斜流泵小流量工况下近叶顶间隙区域的压力脉动特性，揭示不同叶顶间隙矾。对斜流泵瞬态运行 稳定性的影响，对斜流泵模型进行非定常数值模拟。选取叶顶间隙R．。：分别为0、o．5、l和1．5mm的4种方案，基 于LES大涡模拟、SIMPLEC算法与结构化网格，通过压力脉动频谱分析，了解如：与近叶顶间隙区域压力脉动的 内在关系。结果表明，R。引起的泄漏流与主流掺混加剧了叶顶间隙区域流动的不稳定性，降低了叶片的做功能 力；较大的R，。可以有效减少叶顶间隙区域的高频压力脉动，但引起的泄漏流加剧；随着R，。的增大，叶轮近壁区 压力脉动平均值逐渐减小，水力性能下降。斜流泵设计时，选取适当小的R。可以提高斜流泵的整体水力性能。 关键词：斜流泵；叶顶间隙；频谱分析；压力脉动；数值分析 3 中图分类号：TH31 文献标志码：A doi：10．13243，j．cnki．slxb．2015．04．014 1 研究背景 通常，斜流泵在小流量工况下运行时，由于叶轮和导叶之间的动静干涉、叶片进口的冲击、流 动分离、局部汽蚀、以及叶顶间隙处的泄漏流等复杂因素，其内部流动往往表现出强烈的不稳定特 性。这种周期性或流动不稳定性的外在体现，会使机组的振动加剧甚至引起进一步空化，严重影响 泵运行的安全稳定性。国内外诸多学者，通过数值模拟(CFD)和粒子图像速度仪(PIV)，研究了喷水 推进器叶顶间隙泄漏涡的流场结构及其湍动能的分布规律”。l，采用数值模拟和试验测试相结合的方 法对泵内压力脉动特性做了大量研究‘44，揭示了轴流泵和斜流泵内叶顶间隙流动和演化机理_o‘1“， 阐明了设计工况下轴流泵不同叶顶间隙值对压力脉动特性的影响机理。14““。但国内外学者对斜流泵内 叶顶间隙处压力脉动特性的研究较少，对偏工况下斜流泵叶顶间隙大小与压力脉动的关联特性尚未 展开研究。鉴于大涡模拟方法(LES)可直接求解滤波处理后的瞬态N—S方程来描述湍流大尺度涡运 动，通过构建亚格子应力模型模拟小尺度涡对大尺度涡运动的非线性作用，能够直接计算出瞬态的速 度和压力值，可以获得流场内更丰富的非定常流动细节，被证实可更准确预测泵内压力脉动特性‘”。。 因此本文采用大涡模拟方法对斜流泵模型进行非定常数值模拟，重点研究小流量工况下叶顶间隙对 斜流泵近叶顶间隙区域压力脉动的影响规律，从而为斜流泵叶顶间隙值的选取提供一定的参考依 据，以提高其水力稳定性。 2 网格划分和数值方法 m，n=1480 2．1研究对象本文所研究的斜流泵模型的设计参数为：Qd=390L／s，Hd=14 r／min，／2s=460。 收稿日期：2014-09—16 (1212RJYA001) 通讯作者：李仁年(1963一)，男，甘肃民勤人，教授，主要从事水力机械多相流动特性研究。E—mail：lirn@lut．CII ·--——497—— 万方数据 mm，叶轮叶片数z=4，导叶 mm，叶轮出口平均直径D2=291 主要几何参数为：叶轮进口直径