為了探究離心泵內(nèi)部非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)引起的壓力脈動(dòng)現(xiàn)象及其特性，以某型多級(jí)離心泵為對(duì)象，建立了流場(chǎng)三維有限元網(wǎng)格.采用Fluent仿真技術(shù)，選用RNGk-ε湍流模型對(duì)離心泵流場(chǎng)進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算，通過設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得到了不同位置處在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)下的壓力值.運(yùn)用FFT方法，對(duì)葉輪及蝸殼等主要流道監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果表明葉輪和蝸殼內(nèi)的壓力脈動(dòng)主要集中在葉頻及其倍頻處，并且葉輪與蝸殼之間動(dòng)靜干涉對(duì)壓力脈動(dòng)有較大的影響.

　　離心泵在船舶與海洋工程中具有廣泛的應(yīng)用，提高其設(shè)計(jì)效率、降低其運(yùn)行振動(dòng)和噪聲，對(duì)綠色船舶設(shè)計(jì)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義.

　　流體激勵(lì)力是離心泵主要振源之一，研究其對(duì)機(jī)腳振動(dòng)影響變得尤為重要，從離心泵流體誘導(dǎo)振動(dòng)入手，已經(jīng)對(duì)流體產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行了一定研究.非穩(wěn)態(tài)壓力脈動(dòng)的研究，主要有實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬2種方法.

　　上述研究有助于理解泵內(nèi)葉輪和蝸殼、導(dǎo)葉等靜止部件的相互作用，比較準(zhǔn)確地計(jì)算和預(yù)測(cè)了動(dòng)靜干擾引起的壓力脈動(dòng)的頻率和振幅等特性.多級(jí)離心泵因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，還未見對(duì)其非穩(wěn)態(tài)湍流壓力脈動(dòng)特性的數(shù)值研究.因此本文針對(duì)多級(jí)離心泵中的壓力脈動(dòng)問題，利用RNGk-ε湍流模型和滑移網(wǎng)格方法對(duì)某型多級(jí)離心泵進(jìn)行設(shè)計(jì)工況下整機(jī)三維非穩(wěn)態(tài)湍流數(shù)值計(jì)算，并利用FFT方法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行頻譜分析.通過在不同位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)壓力脈動(dòng)，以揭示離心泵內(nèi)的壓力脈動(dòng)特性，分析流激振動(dòng)的來源，為解決泵的振動(dòng)問題提供依據(jù).

1、計(jì)算區(qū)域及方法

1.1、計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)絡(luò)

　　設(shè)計(jì)工況下，泵的運(yùn)行參數(shù)為:流量24m3/h，出口壓力0.46MPa，轉(zhuǎn)速1460r/min.3級(jí)葉輪葉片數(shù)依次為10、6、6.計(jì)算區(qū)域?yàn)榘�括吸水室�?級(jí)葉輪和蝸殼，壓水室的全部流道.考慮到計(jì)算區(qū)域的復(fù)雜性，文中首先利用Proe對(duì)多級(jí)離心泵進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后將實(shí)體模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到多級(jí)離心泵的整機(jī)實(shí)體模型如圖1所示.

圖1 整機(jī)實(shí)體模型

　　泵內(nèi)流道非常復(fù)雜，因此采用適應(yīng)性非常強(qiáng)的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.葉輪的幾何形狀及其中的流體流動(dòng)非常復(fù)雜，而且是運(yùn)動(dòng)部件，因此葉輪葉片表面需要做較細(xì)致的網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格數(shù)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和所要求的計(jì)算資源影響非常大，因此選擇出口壓力進(jìn)行網(wǎng)格靈敏度分析.

　　圖2為網(wǎng)格數(shù)變化對(duì)出口壓力預(yù)測(cè)的影響.從中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為2011334(圖中虛線所示)時(shí)，出口壓力預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，并且計(jì)算用時(shí)比較合理，因此選擇這個(gè)網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.計(jì)算網(wǎng)格模型如圖3所示.

圖2 網(wǎng)格數(shù)對(duì)出口壓力預(yù)測(cè)的影響

圖3 計(jì)算網(wǎng)格模型

1.2、計(jì)算方法

　　首先對(duì)泵整機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算，在相同條件下，將穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果作為非穩(wěn)態(tài)計(jì)算的初始值.在每一級(jí)葉輪和蝸殼間分別形成滑移網(wǎng)格的條件，計(jì)算葉輪和蝸殼的相互干涉，得到整機(jī)內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)特征.

　　非穩(wěn)態(tài)計(jì)算采用全隱式時(shí)間格式，選擇RNGk-ε湍流模型，壁面上取無滑移邊界條件，用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理.采用SIMPLEC算法求解壓力速度耦合方程組，控制方程對(duì)流項(xiàng)的離散采用二階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)、源項(xiàng)的離散采用二階中心差分格式.代數(shù)求解采用亞松弛迭代，頻域采用快速傅里葉變換.泵的進(jìn)口處采用速度進(jìn)口邊界條件，假定進(jìn)口處速度均勻并垂直于進(jìn)口斷面，給定速度初值;泵出口處滿足充分發(fā)展的假定，采用壓力出口邊界條件，認(rèn)為出口靜壓值不變.

　　數(shù)值計(jì)算得到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)下的壓力值，將這些壓力值進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)后得到壓力脈動(dòng)的頻域特性.

結(jié)論

　　文中對(duì)某型多級(jí)離心泵整機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)工況下的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算，得到了各級(jí)葉輪流道和隔舌區(qū)的壓力脈動(dòng)特性，揭示了多級(jí)離心泵內(nèi)重要的非穩(wěn)態(tài)特征.

　　1)在葉輪流道內(nèi)，不同半徑處壓力脈動(dòng)頻率和幅值分布不同.不同結(jié)構(gòu)形式的葉輪壓力脈動(dòng)頻率和幅值分布也不同.上下游不同過流元件對(duì)葉輪流道內(nèi)的壓力脈動(dòng)分布也有影響.

　　2)葉輪和蝸殼的動(dòng)靜干涉對(duì)流體造成不穩(wěn)定流動(dòng)，產(chǎn)生了較大的壓力脈動(dòng)，壓力脈動(dòng)的主要頻率為葉頻及其倍頻.

　　3)通過不同測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)的頻譜特征，分析出多級(jí)離心泵內(nèi)壓力脈動(dòng)的振源所在，以便根據(jù)頻譜的分布特點(diǎn)合理選擇多級(jí)離心泵的葉輪形式及葉片數(shù)、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，合理設(shè)計(jì)泵的主要部件的固有模態(tài)，這對(duì)與振動(dòng)噪聲相關(guān)的性能改進(jìn)具有很大的指導(dǎo)意義.