基于PM-LES方法的间隙流动对离心泵转子非线性动力特性的影响研究

Vibration amplitude is an important indicator for measuring the performance of centrifugal pumps. Accurate calculation of vibration and the other dynamic characteristics of the rotor system has always been one of the key issues in the design and optimization work for centrifugal pumps. The flow field within centrifugal pumps includes many clearance channels such as annular seal clearance, impeller-shroud clearance and so on. The forces induced by fluid flow within the clearance exhibit non-linear characteristics and have great influence on the dynamic characteristics of the whole machine. Most existing research pay attention to the effect of mainstream on the linear dynamic characteristics of the rotor system, which greatly influence the calculation accuracy of the vibration analysis. Further studies on the nonlinear dynamic characteristics of centrifugal pumps with the consideration of the exciting forces induced by clearance flow are still needed. . In this project, there are three parts, including theoretical analysis, numerical simulation and experiments. With the combination of perturbation method and Large Eddy Simulation method, a simulation method for the full-flow field and better control equations as well as the boundary conditions are established. Moreover, the non-linear dynamics model are built and the effects of clearance flow on the non-linear dynamic characteristics are analyzed, including frequency characteristics, bifurcation characteristics, dynamic response and so on.

离心泵振动是衡量离心泵性能的重要指标，振动及其他转子系统动力学特性的准确计算一直是离心泵设计与优化的关键问题之一。离心泵流场结构复杂，叶轮盖板间隙、口环密封间隙内流体流动诱发的流体激振力表现出非线性特征，且整机的振动等动力学性能具有重要影响。现有研究多关注于主流道流场对转子系统线性动力学特性的影响，极大地影响了离心泵转子系统振动性能及其他动力学性能的计算精度。综合考虑间隙流体激振力的离心泵转子系统非线性动力学特性分析亟需深入研究。. 本项目拟从数值模拟、理论分析与实验等方面，联合摄动法与大涡模拟方法，建立考虑间隙流道的离心泵全流场数值模拟方法，完善摄动法求解下的流体微元控制方程组及其边界条件，构建离心泵转子系统非线性动力学模型，从转子系统频率特性、分叉特性、动力学响应等方面揭示离心泵间隙流动特性对转子系统非线性动力学特性的影响规律。

离心泵流场结构复杂，叶轮盖板间隙、口环密封间隙内流体流动诱发的流体激振力表现出非线性特征，对离心泵转子系统的振动响应等动力学性能具有重要影响。现有研究多关注于主流道流场对转子系统线性动力学特性的影响，综合考虑间隙流体激振力的离心泵转子系统非线性动力学计算模型及分析方法仍在发展阶段。本项目从数值模拟、理论分析与实验分析三方面，联合摄动法与大涡模拟方法，对离心泵内部流动特性、环形间隙等效动力学特性求解、单级离心泵转子系统非线性动力学模型构建及动力学特性分析开展了深入研究。.离心泵全流场数值计算方面，项目组构建了考虑主流道与间隙流道的全流场数值计算方法，并基于该方法对模型泵内部流动特性、压力脉动特性、主流场激振力特性进行了计算分析；环形间隙流体激振力及等效动力学特性求解方面，项目组建立了基于PM-LES方法的离心泵叶轮口环及盖板间隙内流体激振力及其等效动力学特性参数求解方法，与实验数据对比，基于该方法的泄漏量计算误差小于9%，主刚度计算误差小于10%；转子系统非线性动力学分析方面，项目组构建了齿轮增速单级离心泵转子系统非线性动力学模型，揭示了离心泵间隙对转子系统非线性动力学特性的影响规律；实验方面，项目组完成了模型泵PIV实验台及高频压力脉动实验台的改造，并完成了模型泵内部流场PIV拍摄实验与分析、模型泵压力脉动测定与振动测定等实验。此外，项目组还在基于LBM-LES模型的离心泵环形密封泄漏量求解方法方面开展了初期的探索研究，目前该方法的泄漏量计算误差低于3%。.项目执行期间，发表项目相关论文2篇；申请发明专利2项，授权实用新型专利4项，授权软件著作权4项；应用本项目研究成果的“煤化工用大流量耐磨高温给水泵”产品完成省级产品鉴定，并获得2017年温州市科学技术进步三等奖。项目负责人以访问学者身份赴日本佐贺大学进行交流访学3个月，项目组晋升高级职称2人，培养博士研究生1名、硕士研究生2名。