本文選題：離心泵　切入點(diǎn)：流場(chǎng)結(jié)構(gòu)　出處：《江蘇大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：振動(dòng)噪聲性能是離心泵重要的考核參數(shù),在某些特殊領(lǐng)域(船舶、核電、潛艇)振動(dòng)噪聲等級(jí)甚至是離心泵必須滿足的首要指標(biāo)。離心泵內(nèi)部湍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,存在多重尺度的渦結(jié)構(gòu)及宏觀的分離流動(dòng)、尾跡、動(dòng)／靜干涉等現(xiàn)象,多種非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的耦合作用導(dǎo)致流激機(jī)理極為復(fù)雜,流激響應(yīng)特性尚不明確。離心泵內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)是誘發(fā)水力激勵(lì)力的直接驅(qū)動(dòng)源,構(gòu)建非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)結(jié)構(gòu)和水力激勵(lì)力之間的映射關(guān)系對(duì)初步完善低噪聲離心泵設(shè)計(jì)理論及發(fā)展振動(dòng)噪聲能量的主動(dòng)控制技術(shù)至關(guān)重要。本文在國(guó)家自然科學(xué)基金“泵內(nèi)受迫湍流的渦動(dòng)力學(xué)特征及其激勵(lì)機(jī)制”(51576090)、軍工委托項(xiàng)目及江蘇省研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃(KYLX-1036)的資助下對(duì)離心泵內(nèi)部非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的激勵(lì)特性展開研究,主要工作及創(chuàng)新性研究成果如下：采用高精度數(shù)值計(jì)算手段對(duì)泵內(nèi)精細(xì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行捕捉,全面獲得了不同工況下模型泵內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)分布特性,提取了模型泵蝸殼壁面上的壓力脈動(dòng)信號(hào)。從葉片尾跡渦演變機(jī)制角度出發(fā)剖析動(dòng)靜干涉作用的形成機(jī)理,重點(diǎn)研究了泵內(nèi)非穩(wěn)態(tài)渦結(jié)構(gòu)的分布、演變過(guò)程。詳細(xì)刻畫了葉片尾緣脫落渦及其和隔舌產(chǎn)生的撞擊、干涉、運(yùn)動(dòng)、變形、耗散的發(fā)展過(guò)程,構(gòu)建壓力脈動(dòng)能量和渦結(jié)構(gòu)特性的內(nèi)在關(guān)聯(lián),提出泵內(nèi)渦結(jié)構(gòu)的分布特性直接決定相應(yīng)位置處的壓力脈動(dòng)頻譜能量。系統(tǒng)地總結(jié)了離心泵過(guò)流部件參數(shù)對(duì)壓力脈動(dòng)特性的影響,基于渦激響應(yīng)特性,從主動(dòng)抑制葉片出口尾跡渦強(qiáng)度角度出發(fā),通過(guò)數(shù)值計(jì)算手段探索了葉片出口形狀對(duì)離心泵性能、渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及壓力脈動(dòng)能量的影響規(guī)律,提出葉片工作面修整可以達(dá)到7%左右葉頻幅值降的效果。結(jié)合空化可視化、空化激勵(lì)振動(dòng)特性,首次提出將離心泵內(nèi)部空化發(fā)展過(guò)程劃分為4個(gè)主要階段,分別為穩(wěn)定、附著的片狀空化；周期性脫落的云狀空化；可壓縮的泡狀空化；具有明顯汽／液分界面的空化形態(tài)。界定了各階段的空化數(shù)區(qū)間,并詳細(xì)分析了各個(gè)階段空化形態(tài)特征及其非穩(wěn)態(tài)發(fā)展、演變過(guò)程。建立壓力脈動(dòng)、振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng),全面分析了模型泵工況、測(cè)點(diǎn)位置對(duì)壓力脈動(dòng)、振動(dòng)頻譜特性的影響規(guī)律,構(gòu)建了頻譜中主要峰值信號(hào)及不同頻段內(nèi)的RMS能量隨流量的響應(yīng)特性。結(jié)合離心泵內(nèi)部復(fù)雜流場(chǎng)結(jié)構(gòu),初步形成離心泵工況-流場(chǎng)結(jié)構(gòu)-水力激勵(lì)力的關(guān)聯(lián)特性。分析空化對(duì)壓力脈動(dòng)、振動(dòng)頻譜的影響規(guī)律,描述壓力脈動(dòng)、振動(dòng)頻譜能量隨空化數(shù)降低的變化趨勢(shì),提出該演變過(guò)程與離心泵內(nèi)部的空化形態(tài)直接相關(guān)�；诳栈�(lì)振動(dòng)特性,本文定義揚(yáng)程下降1%點(diǎn)為振動(dòng)臨界空化點(diǎn),低頻段振動(dòng)能量在該點(diǎn)附近達(dá)到極大值。由振動(dòng)能量的變化特性可知：常規(guī)3%揚(yáng)程臨界汽蝕點(diǎn)的空化判據(jù)略顯不足。從空化誘導(dǎo)振動(dòng)角度出發(fā)可以提前判斷空化的產(chǎn)生,避免離心泵工作在空化狀態(tài),因此可以有效地預(yù)防空化對(duì)泵系統(tǒng)安全穩(wěn)定性和葉輪的破壞。通過(guò)本文的研究工作初步掌握了離心泵內(nèi)部非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)結(jié)構(gòu)及其激勵(lì)特性,可以為低噪聲離心泵設(shè)計(jì)理論及其主動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展提供參考。
[Abstract]:Vibration and noise performance of centrifugal pump is an important parameter for assessment, in some special fields (ships, nuclear submarines, vibration and noise level) or even the primary index of centrifugal pump must be satisfied. The internal turbulence field of centrifugal pump with complex structure, the existence of multiple scale vortex structure and the flow from the macro, dynamic / static wake interference phenomenon a variety of non steady flow, coupling structure leads to flow induced mechanism is very complex, the flow induced response is not clear. The internal complex flow structure of centrifugal pump is directly driven by hydraulic power source excitation, mapping between unsteady flow structure and hydraulic exciting force on the active control technology is initially improved low noise centrifugal pump design theory and the development of vibration and noise energy. Based on the National Natural Science Foundation of China "by the pump vortex dynamics characteristics and incentive mechanism of forced turbulence" (51576090), military Research commissioned by the project in Jiangsu province and student research and Innovation Program (KYLX-1036) under the auspices of the excitation characteristics of centrifugal pump internal unsteady flow structure is studied, the main work and achievements are summarized as follows: using high precision numerical calculation method of the pump flow structure to capture fine, full access to the interior of the pump model under different conditions the flow structure distribution, extraction pressure fluctuation signal model of pump volute wall. The formation mechanism of mechanism from the angle of blade vortex evolution analysis of rotor stator interaction, focusing on the distribution of pump, unsteady vortex structure evolution. A detailed characterization of the trailing edge vortex shedding and tongue impact. Interference, movement, deformation, development of dissipation, internal connection construction of pressure fluctuation energy and vortex structure characteristics, put forward the distribution characteristics of the pump vortex structure directly decides Should the pressure fluctuation spectrum energy position. Systematically summed up the influence of parameters on the pressure fluctuation of flow parts of centrifugal pump, vortex induced response based on the characteristics, starting from the active suppression of blade vortex intensity angle, explores on the performance of centrifugal pump blade shape through numerical calculation, influence of vortex intensity and pressure the pulse energy, the trimming blade can reach about 7% leaf drop frequency amplitude. The effect of combination of cavitation visualization, the vibration characteristics of cavitation excitation, is proposed for the first time on cavitation of centrifugal pump development process is divided into 4 main stages, respectively, the attached sheet cavitation cloud cavitation; periodic shedding; compression bubble cavitation; cavitation pattern has obvious steam / liquid interface. The definition of the cavitation number interval of each stage, and a detailed analysis of the morphological characteristics of each stage and its cavitation Unsteady development, evolution. Establishment of pressure pulsation, vibration test system, a comprehensive analysis of the model of pump working condition, measuring position of pressure pulsation, influence of vibration spectrum characteristics, construction of the main peak signal spectrum in different frequency bands and RMS energy with the flow response characteristics. Combined with the internal complex flow structure of centrifugal pump the initial formation of the correlation, the flow structure of centrifugal pump working - - hydraulic excitation force. Analysis of cavitation on the pressure fluctuation, influence of vibration spectrum, describe the pressure pulsation, vibration energy spectrum changes with the cavitation number reduction trend, this is directly related to the process of evolution and the internal form of cavitation of centrifugal pump cavitation characteristics based on vibration. In this paper, the definition of head drop 1% points for the critical cavitation vibration, vibration frequency reaches the maximum value near the point. By the change characteristics of vibration energy: conventional lift 3% A critical point of the cavitation cavitation induced vibration. Lack of perspective can determine in advance of cavitation from cavitation, avoid centrifugal pump in cavitation, thus can effectively prevent cavitation damage to the pump system safety and stability. The impeller centrifugal pump unsteady flow structure and characteristics of internal incentive through research in this paper and can provide a reference for the development of low noise centrifugal pump design theory and active control technology.

【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH311

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本文編號(hào)：1585577