摘要
离心泵是一种将原动机能量转化为流体能量并广泛应用于各行各业的通用设备。叶片是离心泵的关键部件之一，其数量显著影响泵内部的流动特性，包括失速和压力脉动。与此同时，离心泵在瞬变工况下的运行是一个动态且复杂的过程,表现为流态的瞬变性和压力脉动的复杂性。叶片数对离心泵内部瞬变流动特性的影响机理尚不明确，亟需深入研究。 本文以离心泵叶轮为研究对象，考虑叶片数(数量包括4、5、6、7)的影响,采用大涡模拟(LES)方法，获得非定常数值结果。首先在稳定工况下验证了数值方法的可靠性。而后在不同的瞬变工况下，研究了叶片数对离心泵叶轮内部失速特性及压力脉动等瞬变流动特性的影响。主要研究内容和结论如下: 1.提出了一种离心泵叶轮交替失速预测方法，并成功地用来预测临界交替失速流量点。在定流量工况下验证了预测方法的可靠性，进口流速为0.25Qd和0.5Qd时叶轮处于交替失速状态，进口流速为0.75Qd时叶轮处于非失速状态。验证了预测方法在瞬变工况下的可用性，得出振幅和转速对交替失速临界流量的影响。随着振幅的增加，临界流量在流量下降和上升阶段分别增加和减小。随着转速的增加，临界流量在流量下降和上升阶段都有所增加。 2.探究了叶片数对离心泵叶轮内部失速特性的影响。各叶片叶轮内的流动均经历了稳定—流动分离—失速—流动分离—稳定的过程。6叶片叶轮比4叶片先进入且先退出交替失速状态。交替失速区段内6叶片叶轮流道内的失速涡强度远大于4叶片。4、6叶片平均涡度场总涡度分别为-73和-86,总涡度主要影响因素为负涡度。交替失速区段4、6叶片均表现为流量下降阶段叶轮总熵产减小，流量上升阶段总熵产增大。各流量点4叶片叶轮总熵产值均低于6叶片，总熵产变化幅度平缓于6叶片，叶轮叶片上的高熵区域少于6叶片，表明叶轮内部6叶片的能量损失高于4叶片。奇数叶片叶轮流道内的失速涡分布不规律，5叶片在失速流量点的失速强度比7叶片强。 3.分析了叶片数对离心泵叶轮压力脉动和外特性的影响。偶数叶片流道进口低压相对于流道静止，奇数叶片叶轮流道进口低压随时间的演化具有传递性。偶数叶片叶轮流道进口的压力脉动主频为流量频率，主频幅值交替分布，奇数叶片为流量频率或叶频，主频幅值分布不规律。各叶片数叶轮流道压力面的脉动幅度均大于吸力面。偶数叶片叶轮流道内的脉动幅度及整体脉动的主频幅值均大于奇数叶片。叶片数为5时，叶轮流道内的压力脉动幅度最小主频幅值最低。流量瞬变工况下泵扬程与流速呈负相关且扬程滞后于流速，不同叶片数对离心泵叶轮扬程滞后时间的波动差异在4％以内。
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