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激光诊断技术下离心泵流场及压力脉动特性研究

2020-12-09阅读(609)

激光诊断技术下离心泵流场及压力脉动特性研究

论文摘要

离心泵内部工质的流动状态及压力脉动会直接影响其运行的可靠性、安全性以及水力性能,通过研究泵内压力脉动以及流场的流动特性,深度揭示工质的流动规律,可为离心泵的设计、改进以及减振降噪提供指导,具有极其重要的工程意义。由于离心泵结构及内部工质流动的复杂性,目前对其内部流动规律的认识仍然存在较大的局限性,为进一步揭示离心泵内部流动规律,需展开流场及压力脉动的精细化研究。本课题以一台透明单级蜗壳式离心泵为研究对象,主要开展了以下研究工作:（1）针对传统离心泵内部流场测量的不足,本课题采用大功率连续激光器搭配高速摄像机,同时合理布置压力脉动测点,设计构建了可视化的流场-压力脉动实验测量系统及光路系统,实现了离心泵内部流场信息精细化程度毫米级及不确定度2%以内测量要求,极大提高了流场信息捕获的时间分辨率与准确性;（2）基于时间序列的PIV流场测量技术,开展了离心泵内部流场在时间序列上的精细化测量,极大降低了流场信息在时间序列上的丢失,提高了流场测量的精细化程度。在此基础上,对离心泵内部流场特性（流场分布、湍流强度、雷诺应力以及流场结构的演变过程）展开了深入研究,涡径分析法研究表明,流场内涡旋结构尺寸与流量大小成负相关;（3）通过对高转速工况下离心泵内部流场特性的数值模拟研究,弥补了实验测量在硬件条件上的不足。同时开展定常与非定常流场的数值仿真,对离心泵内部流场分布、流场结构演变、动静干涉进行了深入研究,揭示了泵内流场特性以及流动结构的演变规律。研究表明,叶轮流道内部涡旋结构的产生-脱落具有周期性,且随着流量降低,周期性会变长;（4）采用微型高频压力脉动传感器对离心泵内部流场的周向及轴向压力脉动进行了实验测量,深入研究了离心泵内压力脉动的频谱组成。研究表明叶频为周向压力脉动主频且主要贡献来自叶轮出口处紊乱流动产生的非均匀流场结构。初步分析流场与脉动之间的联系,研究表明离心泵压力脉动与内部流场分布特性密切相关,流动工质的湍流强度、流场结构的产生及发展为流致噪声的主要来源。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  •   1.1 选题背景及意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 离心泵内流场研究现状
  •     1.2.2 离心泵内压力脉动研究现状
  •   1.3 不足及研究趋势
  •   1.4 课题主要研究工作
  • 第2章 实验系统及实验方法
  •   2.1 实验系统
  •     2.1.1 循环回路
  •     2.1.2 实验本体及压力测点布置
  •     2.1.3 压力脉动测量方案
  •     2.1.4 压力采集及光路系统
  •     2.1.5 仪器设备
  •   2.2 PIV粒子的选择
  •   2.3 实验方法及注意事项
  •     2.3.1 实验方法
  •     2.3.2 实验注意事项
  •   2.4 本章小结
  • 第3章 离心泵内流场特性研究
  •   3.1 PIV粒子浓度及问询窗口
  •     3.1.1 PIV示踪粒子浓度确定
  •     3.1.2 问询窗口尺寸及重复率选择
  •   3.2 三点定心法
  •   3.3 离心泵内部流场特性研究
  •     3.3.1 湍流小尺度实验工况
  •     3.3.2 蜗壳隔舌处流场特性研究
  •     3.3.3 雷诺应力及湍流强度分析
  •     3.3.4 叶轮流道流场特性研究
  •   3.4 流场的连续演变特性研究
  •   3.5 不确定度分析
  •     3.5.1 不确定度分析模型
  •     3.5.2 放大倍数α不确定度来源分析
  •     3.5.3 示踪粒子位移量?X不确定度来源分析
  •     3.5.4 实验测速误差δu不确定度来源分析
  •   3.6 本章小结
  • 第4章 离心泵流场特性数值模拟研究
  •   4.1 物理模型建立
  •   4.2 数值计算方法
  •     4.2.1 控制方程
  •     4.2.2 离心泵内工质热交换理论分析
  •   4.3 网格划分及计算条件
  •     4.3.1 网格划分
  •     4.3.2 边界条件及初始条件
  •   4.4 网格无关性及计算准确性验证
  •     4.4.1 网格无关性验证
  •     4.4.2 数值仿真准确性验证
  •   4.5 仿真结果及分析
  •     4.5.1 流场定常计算
  •     4.5.2 流场结构演变特性
  •   4.6 本章小结
  • 第5章 离心泵内压力脉动特性研究
  •   5.1 静态校准试验
  •   5.2 采集时间及频率的选择
  •   5.3 压力脉动特性研究
  •     5.3.1 实验工况
  •     5.3.2 流场周向压力分布
  •     5.3.3 压力脉动频谱分析
  •     5.3.4 基于流场的压力脉动特性分析
  •     5.3.5 压力脉动线性时频分析
  •   5.4 本章小结
  • 结论及展望
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 黄云龙

    导师: 谭思超

    关键词: 离心泵,激光诊断,流场特性,压力脉动,数值仿真

    来源: 哈尔滨工程大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

    专业: 物理学,核科学技术,无线电电子学

    单位: 哈尔滨工程大学

    分类号: TL353.12;TN249

    总页数: 99

    文件大小: 11139K

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