基于数字信号处理的轴流泵压力脉动试验研究

传统电信号压力传感器受电流干扰严重,为准确地获得轴流泵内部压力脉动特性,采用高精度数字压力采集系统对一轴流泵模型的叶轮进口、导叶流道内和导叶出口进行压力测试,试验在包含马鞍区的4个流量工况(0.45Q_d、0.8Q_d、1.0Q_d、1.2Q_d)下进行。试验结果表明:在稳定工况(0.8Q_d、1.0Q_d、1.2Q_d)下叶轮进口监测点P1的时域信号为规则的正弦波,脉动周期与叶片通过周期一致;受叶轮与导叶的动静干涉影响,导叶内部P2及出口P3均出现了小峰值的二次谐波。在非稳定工况(0.45Q_d)下各点的时域信号均出现较大峰值的二次谐波。通过快速傅里叶变换(FFT)获得了各监测点的频域结果:稳定工况下各监测点的压力脉动主频均为叶频(BPF),从叶轮进口至导叶出口幅值逐渐减小;非稳定工况下由于回流和叶顶泄漏涡等因素的影响,各监测点的频率成分复杂,主频向高频段移动且伴随有较强高频信号,脉动幅值大于其余工况。

轴流泵叶片的参数化造型及多参数优化

为了实现轴流泵水力性能的自动优化,建立了基于I-sight软件的轴流泵叶轮设计优化平台,实现了模型更新、计算域网格划分、数值模拟计算以及数据读写的自驱动.为了避免传统优化过程中出现的反复造型所带来的问题,对基于圆弧法设计的轴流泵叶片通过进、出口角及不同位置的叶片厚度进行参数化解析,据此提出一种轴流泵叶片的参数化造型方法,实现以较少的变量控制叶片的外形.以轴流泵的水力效率为优化目标,以叶片二维截面的进、出口角为优化变量,以表征性能的参数扬程为约束条件,应用多岛遗传算法对1台比转数为1 500的轴流泵进行优化计算.结果表明：通过500次迭代计算,额定工况的水力效率由80.4%提升到82.4%;在（0.8-1.2）Q_（BEP）,泵的水力效率均有所提高,高效区域得到了扩大.该结论对于叶轮机械的水力优化和工程应用有一定的价值.

基于流固耦合的离心泵启动过程瞬态叶片动应力特性

为研究离心泵启动过程的叶片的应力和变形情况,针对IS65-50-160的离心泵启动过程瞬态内部流场和结构场进行了双向流固耦合联合求解。其中流场计算基于RANS方程与SST湍流模型;结构场计算基于弹性体结构动力学方程;对叶轮叶片在双向流固耦合作用下的变形和应力分布进行了计算,获得了离心泵启动过程中瞬时效应对叶片应力和应变的影响规律。研究结果表明:叶片的最大等效应力和应变呈振荡上升趋势,振动强度先减小后增大;在离心泵启动过程中,叶片进口与后盖板的交界处出现应力集中,叶片的变形量从后盖板到前盖板呈递增的趋势;叶片的最大等效应力和应变量都大于稳态工况下的最大等效应力和应变量。

离心泵进口回流诱导的空化特性

为研究离心泵进口回流空化特性,以IS65-50-160型离心泵为对象,选取CFX,Fluent和Pump Linx这3种模拟软件,应用标准k-ε模型,进行了网格无关性分析;,搭建了可用于外特性试验的开式试验台,将3种软件的外特性模拟值与试验值进行对比,分析3种软件在各工况下数值模拟的精确度;采用误差最小的模拟软件进行后续的空化和压力脉动数值模拟.结果表明:与其他2种数值模拟软件相比,CFX软件对小流量工况的模拟较为准确;由于回流的排挤作用加剧了主流区空化的发生;回流旋涡空泡的初生处于非附着状态,随着空化数的降低,最终附着在叶片上;回流旋涡空泡的发展和溃灭使得泵的特性曲线在急剧下降前出现了一段缓慢上升的趋势;回流旋涡发生时,在叶轮进口以及叶片进口均出现了频率为9.7 Hz的低频脉动.

余热排出泵内部压力脉动特性分析

为了研究余热排出泵内部压力脉动特性,基于ANSYS CFX软件,采用SST湍流模型,对模型泵进行三维非定常数值模拟,得到了余热排出泵的水力性能,并与试验结果进行对比,计算了泵内不同位置的压力脉动情况,对计算结果进行了时域和频域分析.研究结果表明:叶轮与导叶内的压力脉动均呈现周期性变化,叶轮内周期为7,压力脉动与导叶叶片数密切相关,导叶内周期为5,压力脉动与叶轮叶片数密切相关;叶轮进口、中间流道、叶轮出口的压力脉动系数幅值分别为0.018 23,0.106 76,0.177 51,压力脉动信号逐渐增强,导叶进口、中间流道、导叶出口的压力脉动系数幅值分别为0.095 56,0.076 02,0.012 44,压力脉动信号逐渐减弱;叶轮内监测点的主频均为7fr,压力脉动主要由转频决定,从叶轮进口至出口导叶的影响程度逐渐增强,导叶进口主频为15fr,中间流道和出口主频为5fr,导叶内压力脉动主要由叶频决定,沿流道至出口叶轮的影响逐渐削弱;蜗壳监测点主频为35fr,压力脉动主要由叶频决定,且与导叶叶片数相关.