深井离心泵内部非定常流动的压力脉动特性分析

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1、第27卷第10期农业工程学报Vol.27No.10442011年10月TransactionsoftheCSAEOct.2011深井离心泵内部非定常流动的压力脉动特性分析※（江苏大学流体机械工程技术研究中心，镇江212013）摘要：为了分析深井离心泵内部的非定常压力脉动特性，该文基于标准k-ε湍流模型和滑移网格模型，应用SIMPLEC算法，在CFD软件Fluent中对深井离心泵内部全流场进行三维非定常数值计算，得到了额定工况下流道内不同位置的压力脉动特性，并通过快速傅里叶变换进行

2、了频域分析。结果表明，网格数对数值计算结果影响较大；在叶轮出口与导叶进口交界处，叶轮叶片与导叶叶片的动静耦合是产生压力脉动的原因；压力脉动周期与叶轮叶片数相关，导叶叶片数对压力脉动周期影响较小；叶片通过频率是影响压力脉动的主要因素。该文为改善泵体结构，进一步提高深井离心泵的使用可靠性提供了依据。关键词：离心泵，数值分析，非定常，压力脉动，CFDdoi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.10.008中图分类号：S277.9；TH311文献标志码：A文章编号：1002-

3、6819(2011)-10-0044-06周岭，施卫东，陆伟刚，等.深井离心泵内部非定常流动的压力脉动特性分析[J].农业工程学报，2011，27(10)：44－49.ZhouLing,ShiWeidong,LuWeigang,etal.Analysisonpressurefluctuationofunsteadyflowindeep-wellcentrifugalpump[J].TransactionsoftheCSAE,2011,27(10):44－49.(inChinesewithEngl

4、ishabstract)0引言变化情况，并对泵进出口压力脉动进行了预测和测量。Rodriguez等[8]对离心透平泵内动静干涉引起的振动频域深井离心泵在农田排灌、农村的人畜饮用水、工厂、矿山、自来水公司、地质勘探、铁路、地热开发和油田等领域都有广泛应用[1-2]。由于深井离心泵长期吊置于深井中工作，检查维修困难，为此，对其工作时的可靠性和稳定性要求较高。在泵内部，由于叶轮和导叶的非定常时序性相互干涉，即动静干涉（RSI），会导致泵内压力随时间快速脉动，内部流场瞬时变化，严重时会出现泵体强烈

5、震动、产生噪声、叶片疲劳和轴承损坏等问题[3]。泵体内部的非定常流动特性一直是国内外相关学者的研究热点。Arndt和Tsuhamoto等[4-5]的研究表明，在导叶式离心泵中，叶轮与导叶的动静干扰使叶轮出口流场产生压力脉动，且在叶轮与导叶之间的径向间隙较小时产生较大的压力脉动。Gonzalez等[6]对双吸离心泵进行了非定常数值模拟和试验，结果表明泵体内部的压力脉动会引起径向力的周期性波动，产生较大的振动和噪声。Zhang等[7]基于CFD数值计算和试验，讨论了离心泵内进行了研究，并分析了引起

6、振动的原因。在国内方面，西安交大陈党民等[9]采用滑移网格技术对部分流泵进行了整机非定常流动数值计算，分析了叶轮、蜗壳内典型的非定常流动规律。中国农业大学王福军等[10]运用大涡模拟对轴流泵不同工况下的压力脉动进行了数值模拟。南京工业大学邵春雷[11]等分析了蜗壳式离心泵不同蜗壳截面上的压力脉动规律。江苏大学施卫东、张德胜等[12-13]基于CFD对高效轴流泵内部定常和非定常流动特性进行了研究。总的来说，由于泵体内部的流场分布十分复杂，其内部动静干涉机理仍处于理论计算和实验研究阶段。本文针对采用

7、流道式导叶的150QJ20型深井离心泵，采用Fluent提供的滑移网格模型（SM模型）对深井离心泵内部非定常流动进行数值模拟，对泵体内部不同位置的压力脉动进行了研究，着重分析叶轮与导叶的动静干涉作用对泵体内部流场分布的影响，为改善泵体结构，进一步提高深井离心泵的使用稳定性提供了依据。叶轮和导叶的动静干涉引起的非定常径向力和轴向力的1水力模型收稿日期：2011-02-19修订日期：2011-06-081.1基本参数基金项目：国家科技人员服务企业行动项目（2009GJC30002）；浙江省重

8、大科技专项重大工业项目（2010C01032）和江苏省高等学校优秀科技创新团队计划（苏教科（2009）10号）作者简介：周岭（1985－），男，河南南阳人，博士生，主要从事泵的研究。镇江江苏大学流体机械工程技术研究中心，212013。Email:zhouling6617@163.com※通信作者：施卫东（1964－），男，江苏南通人，研究员，博导，主要从本文选用的150QJ20-75/5-7.5型深井离心泵的基本设计参数如下：Q=20m3/h、扬程H=75m（5级）、转速n=2850r/min