談明高， 丁　榮， 劉厚林， 吳賢芳， 董亮

(1.江蘇大學(xué) 流體機械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江　212013； 2. 江蘇大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

?

雙流道污水泵內(nèi)非定常壓力脈動特性研究

談明高1， 丁榮1， 劉厚林1， 吳賢芳2， 董亮1

(1.江蘇大學(xué) 流體機械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江212013； 2. 江蘇大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：基于拓展的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和Mixture多相流模型，對雙流道污水泵內(nèi)非定常壓力脈動進行了數(shù)值模擬，計算結(jié)果與試驗結(jié)果較為吻合，數(shù)值計算模型和方法可靠性高。在泵蝸殼內(nèi)設(shè)置了監(jiān)測點來分析不同顆粒粒徑和顆粒體積分?jǐn)?shù)時壓力脈動的變化。結(jié)果表明：顆粒物性對泵內(nèi)壓力脈動影響明顯，加入粒徑0.5 mm、體積分?jǐn)?shù)5%的顆粒后蝸殼周向壓力脈動強度有減弱的趨勢且最大減小了34.80%。隔舌下端與蝸殼出口成15°夾角的TP1點因受隔舌處回流影響主頻大多不是葉頻，而正對隔舌的TP2點和隔舌上端第9斷面的TP3點壓力脈動主頻均為葉頻。顆粒在TP3點處發(fā)生沉降離析導(dǎo)致靜壓波動異常，顆粒體積分?jǐn)?shù)一定時選擇合適的粒徑或粒徑一定時適當(dāng)增大兩相流輸送濃度都能有效降低壓力脈動強度。

關(guān)鍵詞：雙流道污水泵；壓力脈動；顆粒物性；回流；葉頻

雙流道泵與普通葉片泵相比流道較寬，對固體顆粒的通過性能好、抗堵塞和纏繞能力較強，因而被廣泛應(yīng)用于生活污水、工業(yè)廢水等含固體顆粒介質(zhì)的輸送。伴隨日益嚴(yán)格的環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)和各行各業(yè)對污水輸送泵性能要求的不斷提升，雙流道泵輸送固液兩相流時的性能受到越來越多的關(guān)注[1-3]，這其中泵內(nèi)壓力脈動特性是關(guān)注的一個重點。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對泵內(nèi)壓力脈動特性進行了廣泛的研究，并經(jīng)過大量的優(yōu)化設(shè)計來降低壓力脈動，以期減小水泵機組的振動噪聲。江偉等[4]研究了不同葉片出口傾斜角對壓力脈動的影響，結(jié)果表明較小的傾斜角能有效減小壓力脈動波動幅度；施衛(wèi)東等[5]的研究表明增大隔舌安放角能夠使泵內(nèi)流動狀態(tài)變好，有效地改善隔舌處壓力脈動；黎耀軍等[6]分析了不同輪緣間隙對軸流泵內(nèi)壓力脈動影響，研究表明葉輪出口斷面壓力脈動幅值隨輪緣間隙增大而減小。此外文獻[7-9]還分別分析了分流葉片、傾斜蝸殼、葉輪出口寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對泵內(nèi)壓力脈動特性的影響。

到目前為止，泵內(nèi)壓力脈動的研究還主要集中在葉片式的離心泵[10-15]和軸流泵[16-17]且介質(zhì)為清水而關(guān)于雙流道泵內(nèi)壓力脈動研究還比較少。在泵送固液混合物時壓力脈動的研究方面，張釗等[18-19]分別針對螺旋離心泵和雙吸泵內(nèi)固液兩相流工況下壓力脈動進行了初步分析，而對雙流道泵輸送污水時顆粒物性對泵內(nèi)壓力脈動的分布與變化規(guī)律的研究還尚未涉及。實踐表明顆粒物的沉降極易惡化泵內(nèi)流體流動從而增大壓力脈動及其誘導(dǎo)振動噪聲，危害泵系統(tǒng)安全有效運行。

本文基于Mixture多相流模型，對不同顆粒直徑和顆粒體積分?jǐn)?shù)下雙流道污水泵內(nèi)湍流進行非定常計算，研究顆粒物性對蝸殼尤其是隔舌附近壓力脈動影響，以獲得泵內(nèi)壓力脈動及其誘導(dǎo)振動噪聲隨顆粒物性變化的規(guī)律，為雙流道污水泵的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1計算模型與方法

1.1基本假設(shè)

以含砂水流為介質(zhì)，為實現(xiàn)對雙流道泵內(nèi)固液兩相流數(shù)值模擬，作如下假設(shè)：流體相和顆粒相均為連續(xù)介質(zhì)，且各相的物理特性均為常數(shù)；固相為粒徑均勻的球形顆粒，不考慮相變；主相為清水，第二相為同種固體顆粒(固體顆粒為砂粒，密度ρ=2 520 kg/m3)。

1.2研究模型

以一臺比轉(zhuǎn)速ns=99的雙流道泵為研究對象，其設(shè)計流量Q=10 m3/h，設(shè)計轉(zhuǎn)速n=2 900 r/min，設(shè)計揚程H=10 m，其主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1　泵主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

為保證計算的有效性在泵進出口都加上了適當(dāng)長度的延長段，計算區(qū)域為從進口延長段到泵出口延長段的整個流動區(qū)域，旋轉(zhuǎn)葉輪部分用混合網(wǎng)格劃分而蝸殼及進出口延長段部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對邊界進行加密處理，如圖1所示。以揚程計算值變化小于1%作為網(wǎng)格相關(guān)性檢查的標(biāo)準(zhǔn)，并綜合計算精度和計算時間，最后選定計算域網(wǎng)格總數(shù)為1 281 584。ICEM CFD網(wǎng)格質(zhì)量檢查在0.35以上，滿足網(wǎng)格質(zhì)量要求。

1.進口延長段 2.葉輪 3.蝸殼 4.出口延長段圖1　雙流道泵計算域及網(wǎng)格Fig.1 Computational domain and mesh

2數(shù)值計算設(shè)定

2.1數(shù)學(xué)模型及邊界條件

兩相流模型采用考慮固液間滑移速度的Mixture模型，滑移速度計算采用Manninen-et-al模型，曳力應(yīng)用Schiller-Naumann模型求得，顆粒碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.9。將單相的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和SIMPLEC壓力速度耦合算法拓展應(yīng)用到固液兩相流的計算中來，采用Fluent軟件對雙流道污水泵進行非定常數(shù)值計算。

進口邊界取為速度進口，并給定進口邊界混合流體的湍流強度和水力直徑數(shù)值；出口邊界采用自由出流；固壁使用無滑移條件，在接近固體壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)法，收斂精度設(shè)為10-4。

2.2時間步長

在定長計算收斂的基礎(chǔ)上進行非定常計算，葉輪轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，時間步長設(shè)定為5.747×10-5s，即將葉輪旋轉(zhuǎn)1°作為一個時間步長，葉輪總共旋轉(zhuǎn)18圈，總的時間是0.372 4 s。選取葉輪旋轉(zhuǎn)的最后兩個周期進行分析。

2.3監(jiān)測點設(shè)置

為準(zhǔn)確獲取葉輪和蝸殼動靜干涉條件下的壓力脈動規(guī)律，在蝸殼周向第1斷面至第8斷面中間位置按序設(shè)置了監(jiān)測點VP1～VP8，在隔舌下端與y軸正向成-15°處設(shè)監(jiān)測點TP1，正對隔舌位置設(shè)點TP2，TP3設(shè)在隔舌附近的第9斷面處，以此研究壓力脈動在蝸殼尤其是隔舌附近的分布變化情況，各監(jiān)測點的位置如圖2所示。設(shè)定蝸殼周向角度y軸正向為0°，并在圖2中隨葉輪旋轉(zhuǎn)方向增大。

圖2　蝸殼內(nèi)監(jiān)測點設(shè)置Fig.2 Monitoring location in volute

3數(shù)值計算可靠性驗證

3.1外特性驗證

為驗證數(shù)值計算結(jié)果的可靠性，制作了一臺型號為50QW10-10-0.75的雙流道泵樣機并在江蘇大學(xué)國家水泵中心開式試驗臺上進行了性能測試，圖3為試驗系統(tǒng)示意圖。用壓力變送器測量泵出口處壓力，用電磁流量計測量管路中的流量，壓力傳感器測得泵出口處壓力脈動，采集卡將傳感器的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳輸?shù)接嬎銠C控制系統(tǒng)進行分析處理。

1.蓄水池 2.試驗泵 3.霍爾傳感器 4.計算機控制系統(tǒng) 5.壓力變送器 6 .壓力傳感器 7.電磁流量計圖3　雙流道污水泵試驗裝置示意圖Fig.3 Sketch of test rig

圖4　雙流道泵數(shù)值計算和試驗外特性對比Fig.4 Comparison between test and simulation results

圖4為雙流道泵外特性非定常數(shù)值計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果的對比。可以看出總體上計算結(jié)果與試驗值趨勢比較統(tǒng)一；在設(shè)計工況點附近揚程和效率預(yù)測值和試驗值相比誤差均小于3.0%，在非設(shè)計工況點外特性計算誤差略高一些，但總體上數(shù)值計算結(jié)果對雙流道污水泵有較高的可靠性。

3.2壓力脈動驗證

在外特性測量的同時借助于型號為CYG3042高頻壓力傳感器對蝸殼出口處壓力脈動進行了測量，傳感器外部機構(gòu)做成液位式密封，待泵平穩(wěn)運行后通過調(diào)節(jié)出口處閥門將流量調(diào)至設(shè)計工況，測量時信號采集頻率為1 000 Hz，總的采集時間為2 s，通過計算機控制系統(tǒng)對測量信號進行處理。

圖5為雙流道泵蝸殼出口處壓力脈動計算值與試驗值對比(橫坐標(biāo)統(tǒng)一以周期為單位，縱坐標(biāo)是總壓)。圖中可以看出數(shù)值計算的蝸殼出口總壓變化與試驗結(jié)果趨勢基本一致，都明顯出現(xiàn)了兩個波峰和波谷且相繼出現(xiàn)的時間大體一致，從波峰到波谷的一個波動周期用時約為0.5 T即0.01 s，這說明數(shù)值計算對壓力脈動的計算可靠性比較高。因試驗是單點測量而數(shù)值計算取的是出口面上某一時刻的面積平均總壓，故而計算值要相對平穩(wěn)，更具有規(guī)律性。

圖5　壓力脈動計算值與試驗值對比Fig.5 Comparision of pressure pulsation between experimental and computational results

4數(shù)值計算結(jié)果及分析

4.1蝸殼周向脈動壓力分布

針對蝸殼內(nèi)壓力脈動，采用葉輪旋轉(zhuǎn)兩周的瞬態(tài)靜壓值經(jīng)無量綱化處理得到算術(shù)平方根壓力系數(shù)CRMS來表示各個監(jiān)測點的壓力脈動情況[20]:

(1)

為清晰獲得不同顆粒物性時蝸殼周向壓力脈動分布與變化情況，以極坐標(biāo)圖的方式表示了算術(shù)平方根壓力系數(shù)變化，縱坐標(biāo)是CRMS，橫坐標(biāo)表示監(jiān)測點所在蝸殼周向的角度，角度設(shè)定與圖2中一致，監(jiān)測了VP1～VP8和隔舌下端點TP1處壓力脈動變化。

圖6　蝸殼周向壓力脈動分布Fig.6 The distribution of pressure fluctuation in volute circumference

圖6為不同流量(0.6Q、0.8Q、1.0Q和1.2Q)下清水和固液兩相流標(biāo)準(zhǔn)工況(此時顆粒體積分?jǐn)?shù)CV=5%，顆粒粒徑ds=0.5 mm)蝸殼周向各監(jiān)測點壓力脈動對比。從圖6可以看出不同流量下，輸送清水與輸送固液混合物時蝸殼周向壓力脈動變化的趨勢較為一致，但在輸送固液混合物時周向各監(jiān)測點壓力脈動強度基本上都有減小的趨勢。各監(jiān)測點CRMS的變化如表2所示(變化值相對于清水而言，用百分比表示)，其中TP1點減幅最大，其次是VP1點，這是由于CV=5%，ds=0.5 mm顆粒物的加入很大程度上減小了這兩處兩相流速度變化梯度從而使壓力脈動強度減弱。

結(jié)合運行工況來看，設(shè)計工況下各監(jiān)測點間的壓力脈動變化較?。恍×髁抗r下VP1、VP2處壓力脈動強度有所減弱而VP4、VP7、VP8和TP1點則明顯增強，這是小流量工況下泵內(nèi)湍流強烈的不規(guī)則運動所致；大流量工況下蝸殼周向的VP1～VP3和TP1點壓力脈動顯著增大，這可能是由于大流量工況下葉片尾跡產(chǎn)生分離并進入上述流道引起流動不穩(wěn)定，造成了水力損失的結(jié)果。

表2　各監(jiān)測點CRMS改變量

圖7將清水工況與不同顆粒粒徑(ds=0.1 mm、0.5 mm及0.8 mm，此時CV=5%)和不同顆粒體積分?jǐn)?shù)(CV=1%、5%及10%，此時ds=0.5 mm)下蝸殼周向各監(jiān)測點的壓力脈動進行了對比。由圖7(a)可知，相對于清水工況，ds=0.1 mm時除VP1、VP3和TP1外其余各監(jiān)測點壓力脈動均有不同程度增大；ds=0.5 mm時變化規(guī)律見圖6分析；ds=0.8 mm時除VP7和TP1外其余各監(jiān)測點脈動情況都有所減弱，并且在VP3～VP6點上壓力脈動強度減小的幅度比ds=0.5 mm時還要大，這主要是因為在比較寬敞的蝸殼第3～第6斷面間的流道內(nèi)顆粒直徑的適當(dāng)增大有利于葉片出口尾跡流動更具有規(guī)律性從而減小壓力脈動。

在圖7(b)中，相對于清水工況，CV=1%時在蝸殼周向呈現(xiàn)出VP1～VP3時壓力脈動有所減弱而VP4～VP8及TP1點則略微增強；CV=5%時各監(jiān)測點變化規(guī)律見圖6分析；CV=10%時則是除VP7外其余各點壓力脈動都減小，并且在VP3～ VP6和VP8點壓力脈動強度減小量比CV=5%時還要多，這是因為流量一定的情況下顆粒體積分?jǐn)?shù)越高就意味著單位體積內(nèi)流體相越少，對顆粒相攜帶需耗費的能量就越多，從而使促進壓力脈動等不穩(wěn)定流動的能量就相對減少，因此在較寬敞的流道內(nèi)，混合均勻的固液兩相流引起的壓力脈動強度會比較小。VP7點附近蝸殼流道寬敞且開始出現(xiàn)大范圍的低速區(qū)因而受流體間排擠和流動而造成的損失要比VP3～VP6小，且受隔舌影響要比VP1、VP2、VP8和TP1要小，因而總體看來VP7點附近壓力脈動要小于其余各點。

圖7　不同顆粒物性下蝸殼內(nèi)壓力脈動對比Fig.7 Comparison of pressure pulsation in volute for different particle properties

4.2隔舌附近壓力脈動分析

葉輪轉(zhuǎn)動頻率fn=48.33 Hz，對雙流道泵而言葉片通過頻率即葉頻fBPF=96.67 Hz。為準(zhǔn)確分析隔舌附近固液兩相流工況時壓力脈動情況，選取泵穩(wěn)定運行最后兩個周期內(nèi)數(shù)據(jù)計算得到的壓力脈動系數(shù)CP作為衡量此處壓力脈動強度的無量綱數(shù)[21]：

(2)

式中各參數(shù)定義如式(1)中約定。圖8為隔舌附近監(jiān)測點TP1～TP3在清水設(shè)計工況和固液兩相流工況(設(shè)計流量點且CV=5%，ds=0.5 mm)時壓力脈動時域和頻域特性對比。時域圖中橫坐標(biāo)以數(shù)據(jù)取樣的起始時間開始，記錄了穩(wěn)定運行的兩個周期，以周期T作為單位統(tǒng)一處理。

從時域圖中可看出各監(jiān)測點壓力脈動在清水設(shè)計工況下具有很強的周期性特征。加入顆粒物后只有正對隔舌的TP2點還保留周期性特征；而TP1點每個周期內(nèi)都出現(xiàn)了兩個大波峰、波谷和一個小波峰、波谷；TP3點每個周期內(nèi)相繼出現(xiàn)兩個波峰和波谷，但是壓力脈動幅值波動較大周期性不明顯。這說明固相顆粒物的加入影響了隔舌附近流體的流動從而改變了壓力脈動規(guī)律。時域圖中TP1和TP2點處壓力脈動強度在加入顆粒物后有所減弱，在TP3點處則出現(xiàn)某段時間突然增強的現(xiàn)象，這是因為顆粒物的加入阻礙了隔舌處回流的產(chǎn)生。

在清水時各監(jiān)測點壓力脈動主頻均是1倍葉頻，而加入顆粒物后TP1點的壓力脈動主頻已不是葉頻，此時壓力脈動主要都集中在低頻處，這充分說明在CV=5%，ds=0.5 mm兩相流狀況下TP1點同時受到了隔舌處兩相流回流和動靜干涉的共同影響且前者的影響更大；TP2點處主頻的壓力脈動幅值由清水時0.016 02變成了兩相流工況下的0.010 5，即最大壓力脈動強度降低了34%，但是次頻處脈動強度明顯升高；TP3點在加入顆粒物后主頻和次頻處壓力脈動強度都有所減弱，說明壓力脈動變化不僅與宏觀的動靜干涉有關(guān)還與該處來流的湍流強度有關(guān)。隔舌處壓力脈動基本上都集中分布在葉頻附近的低頻處，說明泵不發(fā)生空化情況下隔舌處引起泵產(chǎn)生振動噪聲的原因主要是葉輪與蝸殼間的動靜干涉以及隔舌處產(chǎn)生的回流。

圖8　隔舌附近各監(jiān)測點壓力脈動時域和頻域特性Fig.8 Time and frequency domain characteristics of pressure pulsation near tongue

為充分掌握顆粒直徑和體積分?jǐn)?shù)對隔舌附近壓力脈動的影響機制，對TP1～TP3點在不同粒徑(此時CV=5%)和體積分?jǐn)?shù)下(此時ds=0.5 mm)的壓力脈動進行了分析。

圖9給出了不同顆粒特性下TP1點壓力脈動時域與頻域特性。圖9(a)中ds=0.5 mm和ds=0.8 mm時壓力脈動波動幅度隨時間逐漸變小，壓力脈動強度有所減弱，而ds=0.1 mm時呈現(xiàn)相反的規(guī)律。圖9(b)中ds=0.8 mm時壓力脈動主頻為葉頻而ds=0.1 mm和ds=0.5 mm時則不是，并且壓力脈動在低頻處分布較為均勻，這說明回流在粒徑較小時惡化了TP1點處低頻壓力脈動，在粒徑較大時則加劇了該點葉頻處壓力脈動強度。

圖9(c)中可看出，隨著體積分?jǐn)?shù)的增大，TP1點處壓力脈動波動也越來越大，并且變得更加沒有規(guī)律性。圖9(d)中CV=1%時壓力脈動的主頻為葉頻且比較明顯，CV=5%時低頻壓力脈動幅值遠遠大于1倍葉頻處幅值，CV=10%時壓力脈動的主頻雖然是1倍葉頻但其壓力脈動主要分布在了2倍葉頻范圍之內(nèi)且分布比CV=1%和CV=5%都要集中、均勻，這說明顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大在降低葉頻處壓力脈動幅值的同時也加劇了隔舌下端TP1點處的低頻壓力脈動及其誘導(dǎo)振動噪聲，這其中來自隔舌處回流的作用至關(guān)重要。

由圖9(b)和圖9(d)的TP1頻域特性圖可以看出，只有ds=0.8 mm和CV=1%時 TP1點處的壓力脈動主頻才明顯體現(xiàn)為葉片通過頻率，具體結(jié)合時域圖可看出在不同粒徑和不同體積分?jǐn)?shù)下TP1點靜壓值波動都比較劇烈，所體現(xiàn)出的周期性也不明顯，這是葉輪與蝸殼動靜干涉和隔舌處產(chǎn)生的回流共同作用所致。

圖9　TP1點不同顆粒特性下時域與頻域特性Fig.9 Time and frequency domain characteristics of pressure pulsation at TP1 in different particle propertiers

圖10給出了不同顆粒特性下TP2點壓力脈動時域與頻域特性。由圖10(a)可以看出，在不同粒徑下每個計算周期內(nèi)TP2點壓力脈動都出現(xiàn)了兩個波峰與兩個波谷；ds=0.5 mm時周期性明顯，壓力脈動強度較小且波動幅度較小；ds=0.1 mm時波動較大且隨時間壓力脈動強度有增大的趨勢；ds=0.8 mm時則有減小的趨勢。從圖10(b)可看出，雖然各粒徑下壓力脈動主頻都是葉頻，但在ds=0.1 mm和ds=0.8 mm時低頻(0.25fBPF、0.5fBPF和0.75fBPF)壓力脈動強度變化并沒有ds=0.5 mm時的明顯，壓力脈動在低頻處分布比較均勻；ds=0.1 mm和ds=0.8 mm時主頻壓力脈動幅值比ds=0.5 mm時要高很多，說明了在TP2點處粒徑過大或過小都會引起泵內(nèi)壓力脈動加劇從而加劇泵振動。

圖10　TP2點不同顆粒特性下時域與頻域特性Fig.10 Time and frequency domain characteristics of pressure pulsation at TP2 in different particle propertiers

圖10(c)中CV=1%和CV=5%時壓力脈動隨時間周期性變化明顯；與CV=1%時壓力脈動強度相比，CV=5%和CV=10%時的脈動強度明顯減小，這說明適當(dāng)升高固相顆粒的體積分?jǐn)?shù)有利于減小TP2點處壓力脈動強度。由圖10(d)可以看出，各體積分?jǐn)?shù)下壓力脈動的主頻均為葉頻，但是壓力脈動隨頻率的分布有所不同，CV=1%時葉頻處壓力脈動幅值要比其他頻率高很多；在CV=5%及CV=10%時變化沒有這么明顯，這說明較低的顆粒體積分?jǐn)?shù)會惡化隔舌前端點TP2處流體流動狀態(tài)，加速了回流向隔舌下端發(fā)展的趨勢，從而加劇了主頻壓力脈動。

圖11　TP3點不同顆粒特性下時域與頻域特性Fig.11 Time and frequency domain characteristics of pressure pulsation at TP3 in different particle propertiers

圖11給出了不同顆粒特性下TP3點壓力脈動時域與頻域特性。圖11(a)和11(b)中在不同顆粒粒徑和顆粒體積分?jǐn)?shù)下均有明顯的兩個波峰和兩個波谷，且TP3點處壓力脈動在各固液兩相流工況下都有較大波動幅度。這是因為在TP3點附近固相顆粒漸漸產(chǎn)生了離析并沉降，固相顆粒并不會產(chǎn)生靜壓，故而隨著顆粒的緩慢離析沉降，TP3點附近空間流體流量將會發(fā)生突變，這種突變隨粒徑的增大如圖11(a)所示使壓力脈動波動愈發(fā)劇烈。

圖11(b)中CV=1%和CV=5%時壓力脈動隨體積分?jǐn)?shù)的增加波動加??；CV=10%時表現(xiàn)為平均靜壓值有不斷上升的趨勢，這是受隔舌結(jié)構(gòu)的影響在隔舌上端顆粒會沉降離析，并且顆粒體積分?jǐn)?shù)越大相應(yīng)單位體積可用于攜帶顆粒的流體就越少，體積分?jǐn)?shù)越大的工況在顆粒沉降后流體剩余的有助于壓力脈動等不穩(wěn)定流動的能量就越少，平均靜壓值也將隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的適當(dāng)增加而變大，同時也降低了主頻處壓力脈動強度。

在頻域圖中不同粒徑和不同顆粒體積分?jǐn)?shù)下的主頻均為1倍葉頻，壓力脈動主要都分布在了4倍葉頻以內(nèi)的低頻區(qū)域，這說明了TP3點處低頻脈動是壓力脈動及其誘導(dǎo)振動噪聲產(chǎn)生的主因。不同粒徑、體積分?jǐn)?shù)下壓力脈動最大幅值從大到小排列分別為：ds=0.8 mm>ds=0.1 mm>ds=0.5 mm，CV=1%>CV=5%>CV=10%，表明在一定體積分?jǐn)?shù)下選擇輸送合適的粒徑有利于減小壓力脈動強度；一定顆粒粒徑下適當(dāng)加大顆粒輸送濃度能顯著改善TP3點的不穩(wěn)定壓力脈動。

5結(jié)論

(1) 顆粒物性對雙流道泵蝸殼尤其是隔舌處壓力脈動影響明顯，葉頻對雙流道泵內(nèi)壓力脈動及其誘導(dǎo)振動噪聲起主導(dǎo)作用。

(2) 不同工況下加入一定量顆粒物大體上能減弱蝸殼周向壓力脈動強度且最大降幅能夠達到34.80%；設(shè)計工況下在蝸殼周向比較寬敞的流道內(nèi)的顆粒直徑或體積分?jǐn)?shù)的適當(dāng)增加能讓固液兩相流壓力脈動強度有所減小。

(3) 隔舌處各監(jiān)測點壓力脈動均以低頻為主，對顆粒物性比較敏感；各點體現(xiàn)出的規(guī)律不盡相同，TP2和TP3點處壓力脈動主頻均為葉頻而TP1點因受隔舌處回流影響主頻大多不是葉頻；TP2點處粒徑過大或過小都會惡化該處壓力脈動從而加劇振動，而顆粒體積分?jǐn)?shù)的適當(dāng)增加有利于降低該點處最大壓力脈動幅值；TP3點處受隔舌結(jié)構(gòu)影響顆粒會沉降離析從而引起靜壓波動異常，在一定體積分?jǐn)?shù)下選擇合適的顆粒粒徑或一定粒徑下適當(dāng)增加顆粒體積分?jǐn)?shù)都有助于減弱壓力脈動強度。

參 考 文 獻

[1] 劉厚林，陸斌斌，談明高，等.雙流道泵內(nèi)固液兩相流動的數(shù)值模擬[J].排灌機械，2009，27(5)：297-301.

LIU Hou-lin, LU Bin-bin, TAN Ming-gao, et al.Numerical simulation on solid-liquid two-phase flow in a double channel pump [J].Drainage and Irrigation Machinery,2009,27(5): 297-301.

[2] Li Y, Cui Q, Zhu Z, et al.The influence of major diameter solid particle on the double-channel pump performance[C]//ASME-JSME-KSME 2011 Joint Fluids Engineering Conference. Hamamatsu,Japan:American Society of Mechanical Engineers, 2011: 665-672.

[3] 何朝輝，黃新華，葉斌斌，等.雙流道蝸殼泵內(nèi)固液兩相流動特性與磨損研究[J].水泵技術(shù),2012(5):21-25.

HE Zhao-hui, HUANG Xin-hua, YE Bin-bin,et al.Research on characteristics of solid-liquid two-phase flow and wear in a double channel volute pump[J].Pump Technology,2012 (5): 21-25.

[4] 江偉，李國君，張新盛.離心泵葉片出口邊傾斜角對壓力脈動的影響[J].排灌機械工程學(xué)報，2013,31(5): 369-372.

JIANG Wei, LI Guo-jun，ZHANG Xin-sheng. Effect of oblique angle of blade trailing edge on pressure fluctuation in centrifugal pump[J].Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,2013,31(5):369-372.

[5] 施衛(wèi)東,徐焰棟,李偉,等.蝸殼隔舌安放角對離心泵內(nèi)部非定常流場的影響[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2013,44(增刊1)：125-130.

SHI Wei-dong，XU Yan-dong，LI Wei, et al. Effect of different tongue angels on unsteady flow in centrifugal pump[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2013,44(Sup1):125-130.

[6] 黎耀軍,沈金峰,洪益平,等.輪緣間隙對軸流泵內(nèi)部非定常流場的影響[J].排灌機械工程學(xué)報,2013,31(8)：667-673.

LI Yao-jun，SHEN Jin-feng，HONG Yi-ping，et al.Effect of tip clearance on unsteady flow in axial-flow pump[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,2013,31(8): 667-673.

[7] 張金鳳，王文杰，方玉建，等.分流葉片離心泵非定常流動及動力學(xué)特性分析[J].振動與沖擊，2014，33(23)：37-41.

ZHANG Jin-feng，WANG Wen-jie，F(xiàn)ANG Yu-jian,et al.Influence of splitter blades on unsteady flow and structural dynamic characteristics of a molten salt centrifugal pump[J].Journal of Vibration and Shock,2014,33(23):37-41.

[8] Zhang N，Yang M，Gao B，et al.Unsteady pressure pulsation and rotating stall characteristics in a centrifugal pump with slope volute[J].Advances in Mechanical Engineering,2014, 2014：1-11.

[9] 戴菡葳,劉厚林,丁劍，等.離心泵葉輪出口寬度對泵腔內(nèi)壓力脈動分布的影響[J].排灌機械工程學(xué)報,2015,33(1): 20-25.

DAI Han-wei，LIU Hou-lin，DING Jan，et al.Effects of impeller outlet width on pressure pulsation in two side chambers of centrifugal pump[J].Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,2015,33(1): 20-25.

[10] Spence R, Amaral-Teixeira J.A CFD parametric study of geometrical variations on the pressure pulsations and performance characteristics of a centrifugal pump[J]. Computers & Fluids,2009, 38(6):1243-1257.

[11] Barrio R, Parrondo J, Blanco E.Numerical analysis of the unsteady flow in the near-tongue region in a volute-type centrifugal pump for different operating points[J]. Computers & Fluids,2010,39(5): 859-870.

[12] 王松林,譚磊,王玉川.離心泵蝸殼內(nèi)非定常流動特性[J]. 振動與沖擊,2014,33(11)：43-48.

WANG Song-lin，TAN Lei，WANG Yu-chuan.Characteristics of unsteady flow in a centrifugal pump volute[J].Journal of Vibration and Shock, 2014, 33(11): 43-48.

[13] 朱榮生,龍云,付強,等.核主泵小流量工況壓力脈動特性[J].振動與沖擊,2014,33(17)：143-149.

ZHU Rong-sheng，LONG Yun，F(xiàn)U Qiang，et al. Pressure pulsation of a reactor coolant pump under low flow conditions[J].Journal of Vibration and Shock,2014,33(17): 143-149.

[14] 施衛(wèi)東,徐燕,張啟華,等.多級潛水泵內(nèi)部壓力脈動特性[J].排灌機械工程學(xué)報,2014,32(3)：196-201.

SHI Wei-dong，XU Yan，ZHANG Qi-hua,et al.Characteristics of pressure pulsation in multi-stage submersible pump[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2014,32(3):196-201.

[15] 蔣躍,李紅,劉宜.單,雙出口雙蝸殼泵的壓力脈動及徑向力特性[J].排灌機械工程學(xué)報,2014,32(9)：748-753.

JIANG Yue，LI Hong，LIU Yi. Pressure fluctuation and radial thrust characteristics in double volute pumps with single and double outlet[J].Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,2014,32(9):748-753.

[16] 朱榮生,龍云,林鵬,等.螺旋軸流泵內(nèi)部流場與壓力脈動研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2014,45(7)：103-110.

ZHU Rong-sheng,LONG Yun,LIN Peng,et al.Internal flow and pressure pulsation characteristics of screw axial-flow pumps[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2014,45(7):103-110.

[17] 張玉新,王秀葉,丁鵬,等.潛水軸流泵內(nèi)部流場壓力脈動的數(shù)值模擬[J].排灌機械工程學(xué)報,2014,32(4)：302-307.

ZHANG Yu-xin，WANG Xiu-ye，DING Peng,et al.Numerical analysis of pressure fluctuation of internal flow in submersible axial-flow pump[J].Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,2014,32(4): 302-307.

[18] 張釗，蘇敏，韓偉,等.螺旋離心泵固液兩相非定常流動誘導(dǎo)力特性[J].排灌機械工程學(xué)報,2015,33(4):296-300.

ZHANG Zhao，SU Min，HAN Wei，et al.Inducted force characteristics of solid-liquid two-phase unsteady flow in screw centrifugal pump[J].Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,2015,33(4):296-300.

[19] 程效銳，張楠，趙偉國,等.雙吸泵輸送含沙水流時蝸殼內(nèi)壓力脈動特性[J].排灌機械工程學(xué)報,2015,33(1):37-42.

CHENG Xiao-rui，ZHANG Nan，ZHAO Wei-guo，et al. Pressure fluctuation features of sand particle-laden water flow in volute of double-suction centrifugal pump[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,2015,33(1):37-42.

[20] 吳登昊,袁壽其,任蕓,等.葉片幾何參數(shù)對管道泵徑向力及振動的影響[J].排灌機械工程學(xué)報,2013,31(4)： 277-283.

WU Deng-hao，YUAN Shou-qi，REN Yun,et al.Effects of blade geometry parameters on radial force and vibration of in-line circulator pump[J].Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,2013,31(4): 277-283.

[21] Guelich J，Bolleter U．Pressure pulsations in centrifugal pumps[J]．Journal of Vibration and Acoustics，1992，114(2)：272-279．

基金項目：國家科技支撐計劃(2013BAF01B02)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(PAPD)；過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室開放基金資助項目(GK201403)；江蘇大學(xué)研究生創(chuàng)新工程項目(KYXX_0039)

收稿日期：2015-03-26修改稿收到日期：2015-06-19

通信作者丁榮 男，碩士生，1989年生

中圖分類號:TH212；TH213.3

文獻標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.14.026

Unsteady characteristics of pressure pulsation in a double channel sewage pump

TAN Ming-gao1, DING Rong1, LIU Hou-lin1, WU Xian-fang2, DONG Liang1

(1. Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China；2. School of Energy and Power Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

Abstract:The unsteady pressure pulsation in a double channel sewage pump was numerically simulated by using the combination of an extended standard k-ε turbulence model and the mixture multiphase flow model. The simulation results are in agreement with the experimental ones, which indicates that the numerical model and the calculation methods are feasible and can be used to predict the pressure pulsation in the double channel sewage pump. The changes of pressure fluctuation under different particle diameters and particle volume fractions were analyzed by setting some monitoring points in the volute. The simulation results show that the pressure pulsation inside the pump changes obviously with the variation of particle properties, and the pressure fluctuation intensity at the volute circumference generally gets weaker with the addition of certain amount of particles and can decrease maximally by 34.80%. The pressure pulsations at the points TP1～TP3 near the tongue are sensitive to particle properties. The TP1 is located at the lower end of the tongue and the angle between the volute outlet and the TP1 is 15 degrees, the TP2 is located at the tongue intermediate position and the TP3 is located at the ninth section of volute near the tongue. The dominant frequency of pressure pulsation at TP1 usually comes from the tongue backflow, while the dominant frequency at TP2 and TP3 is the blade passing frequency. Due to the tongue, the particles around TP3 accumulate easily, which results in an unusual fluctuation of static pressure. Selecting an appropriate particle size or particle volume fraction can contribute to weaken the pressure fluctuation intensity at TP3.

Key words:double channel sewage pump; pressure pulsation; particle property; backflow; blade passing frequency

第一作者 談明高 男，博士，副研究員，1980年生