高功率离心扩压泵非稳定流动研究
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高功率离心扩压泵，特别是采用圆形外壳结构的，因其应用于高风险领域，其可靠性至关重要。为了增加泵的可靠性，采用了圆形外壳结构，这种特殊的外壳结构使流动变得更加复杂，并可能引起巨大的水力损失。
本文通过计算流体力学（CFD）方法，对高功率离心式扩压泵圆形外壳内的周期性非稳定湍流流动进行了深入的研究，分析了不同位置的速度分布，并考虑了时间和频率域内的压力波动。
我们定义了压力波动强度系数（PFIC）和峰值压力系数（PPC），并进行了定量分析了以检查非稳定流动现象的时间累积效应。在扩压器的出口位置和管内，可以观察到强烈的流动不稳定性。PPC和PFIC的结果为评估压力变化提供了新的视角，是传统的时间和频率域内非力分析方法的补充。
离心泵是一种重要的能量转换装置，广泛应用于工业、农业、核工业、石油、化学等领域以及低温推进剂泵送等。离心泵的复杂内部流动现象如转子-定子相互作用可以产生水力激振力并引起压力脉动。这些动态压力分量会导致泵部件的机械振动和交替应力，称为流动诱发振动问题。传递到基础的振动可以传播到整个建筑物。振动的泵结构还可以辐空气传播噪声和流体传播噪声。
明显的非稳定湍流流动现象主要是由旋转叶轮和静止扩压器的转子-定子相互作用引起的，并可以传播到整个流道。这种周期性的转子-定子相互作用具有两种效应。第一种是叶轮对静叶流动的下游效应，其特点是严重扭曲的相对叶轮流场和叶轮尾流引起的非稳定效应。第二种是静叶对叶轮流动的上游效应，导致相对流动的非力和速度波动。
为了深入研究这种非稳定效应，我们计算了三维非稳定雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方程，使用标准湍流模型来研究叶轮和扩压叶片之间相互作用引起的压力波动。计算了叶片扩压器的非稳定流动，研究了扩压器区域内的非稳定水动力和压力波动。
实验方面，我们采用了LDV和PIV技术研究了低比转速径向扩压泵中的非稳定流动，得到了详细的定量考察。通过LDV揭示了叶轮出口存在喷流-尾流流动结构。PIV测量识别了透明径向泵和叶片扩压器中的非稳定流动结构和湍流现象。
在现实中，特别是在一些稳定性最重要的高风险应用中，采用了圆形壳体结构以增加高功率泵的整体结构的可靠性。由于这种特殊的圆形壳体结构使整个流道中的非稳定流动现象比其他带有蜗壳的离心泵更加复杂，并可能引起巨大的水力损失。对泵壳中的湍流流动现象进行深入分析对于优化结构以提高水力和可靠性性能具有重要的实际和学术意义。
研究的模型泵是高功率、单级、单吸、水平离心扩压泵，其圆形外壳常常用于电站等。我们分析了泵的三维模型、叶轮、叶片扩压器和圆形外壳的主要几何参数。在圆形外壳中，可以观察到“L”形流道截面，外壳通道内的流动结构将受到这种特殊形式的强烈影响。
考虑到三维、黏性、非稳定湍流流动的特性，我们考虑了三维雷诺平均Navier-Stokes方程。采用Menter提出的剪切应力输运（SST）湍流模型来封闭方程。整个计算域的结构网格是使用网格生成工具ICEM-CFD生成的。当网格数从549万增加到583万时，计算得到的泵扬程结果相似，选择了约583万个节点的网格。
为了估计计算的数值精度，我们采用了机械工程师学会流体工程部推荐的一种建立方法。对于数值精度分析，研究了三种不同的网格数量，即583万、565万和424万。计算了平均网格体积和网格尺寸h。原始的模型泵在实验室的开放试验台上进行了测试，其测试精度优于1级标准。进口和出口的压力是通过压力传感器测量的，传感器的精度为0.1%。流量由LWGY-200A涡轮流量计测量，测量误差为0.5%。
为了分析和可视化圆形外壳中的流动现象，我们显示了监测点和圆形外壳流道截面的定义。包括六个监测点P1到P6。在出口管道中选择了四个横截面，分别标记为DTS1到DTS4。圆形通道中选择了六个横截面，分别标记为CCS1到CCS6。我们分析了监测点上一个叶轮旋转周期内的压力时程结果，使用快速傅里叶变换（FFT）方法将时域结果转换为频域结果。
在P2上为了可视化在整个叶轮旋转周期内流道中压力波动的复杂情况，特别是在有限的时间和监测位置上的挑战，我们运用了统计思维方法，并在每个网格节点上引入了压力波动强度系数（PFIC）和峰值压力系数（PPC）的概念。通过对这些结果的定量分析，我们深入探讨了非定常流动现象的时间积累效应。
我们的研究证实，PFIC和PPC的引入确实提供了一个全新的视角来评估压力变化，是对传统的时间和频率域内非定常压力分析方法的极佳补充。这一发现对于我们理解复杂的三维非定常湍流现象具有重要意义。
圆形壳体中的三维非定常湍流包丰富的细节和动态变化。这里有大尺度涡旋和二次流现象的振荡，还有强烈的压力非稳定性，这些都可以在我们特别关注的圆形通道的扩压器出口位置和排放管中找到。
本研究强调了在设计过程中评估圆形壳体中流动非稳定性分布的重要性。找到适当的结构来降低流动的非稳定性是提高设备可靠性的关键。这不仅涉及到对流动特性的深入理解，还需要通过精心设计来应对这些挑战。
以下是部分相关研究的参考文献：
1. 何丽、李永生、陈涛，《多级涡轮机转子-转子和定子-定子干涉分析》，2002年发表的重要研究成果。
2. 、王凯和金辉的《双叶片离心泵叶轮非定常流动的实验研究》，为我们提供了宝贵的实验数据和分析，发表于2013年。
3. 裴静、袁世清和袁建平的《单叶片离心泵周期性流动非稳态数值分析》为我们理解单叶片离心泵的流动特性提供了有力的工具，同样发表于2013年。
4. 刘红、吴旭和谭明的《关断工况下离心泵内流的数值研究》，探讨了关断工况下离心泵的内流特性，为我们提供了宝贵的见解，也是2013年的研究成果。
5. 王凯、吴东和谭明的《基于OpenFOAM的双叶片泵内流研究》，发表于2012年，为我们理解双叶片泵的内流动态提供了有力的支持。