大型离心泵系统压力脉动与水力激振特性研究

大型离心泵广泛应用于跨流域调水、大型农业灌溉、城市给排水、火力发电和其他能源化工等领域。本项目以离心泵为研究对象，以模型试验、原型测试和数值计算为基本手段，以揭示压力脉动机理和描述水力激振特征为主要目标，研究离心泵压力脉动与叶轮型式、来流条件、空化状态、运行工况等因素的关系，把握离心泵压力脉动所诱发的水力振动传播规律，完善离心泵压力脉动、水力激振计算模型和仿真方法，编制压力脉动、转子动力学特性及疲劳可靠性预测软件，构建离心泵压力脉动及系统安全稳定运行评价体系，为降低大型离心泵系统压力脉动、改善结构振动特性、增强运行稳定性，提供科学依据。

针对大型离心泵普遍存在的压力脉动和水力激振问题，采用理论分析、模型试验、原型测试和数值计算相结合的手段，对离心泵压力脉动与水力激振的影响因素、分布规律、计算方法和控制措施进行了深入研究。建立了用于离心泵旋转湍流瞬态分析的动态混合非线性SGS模型，发展了集URANS和LES为一体的离心泵压力脉动计算模型及相应的数值解法，为准确评估离心泵在不同工况的压力脉动提供了一种有效手段；建立了压力脉动与叶轮型式、运行工况、来流条件、空化状态等因素之间的关系，获得了双吸离心泵和单吸离心泵两类典型泵站的压力脉动频谱特征及时空分布规律；构建了瞬态流固耦合分析模型、压力脉动载荷作用模型、流体场和结构场载荷置换模型，并用所建立的模型开展了离心泵瞬态流固耦合分析，得到了离心泵在不同压力脉动载荷作用下的结构振动、叶片疲劳特性等结果，实现了在较高精度下的大型离心泵水力激振特性预测；探索了原型泵与模型泵之间的压力脉动相似关系、结构振动相似关系，揭示了压力脉动所引起的水力激振传播机理，给出了基于交替加载技术的减轻离心泵压力脉动与结构振动的途径。所取得的研究成果为改善离心泵水力设计、提高运行稳定性奠定了基础。