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朱智朋S151103415-流体1舰船压载泵内部不稳定流动机理研究该读书报告以自己研究生阶段的研究课题为载体，以与本研究有关的试验测试内容为主线，并对各个部分的参考文献进行整理和归纳。1课题研究内容1.1研究目标1、获取不同工况下舰船压载离心泵不稳定流动特征和动态压力频谱特征，为稳定高效的舰船压载泵的设计提供理论依据；2、掌握舰船压载离心泵不稳定流动产生机理、传播方式和损失结构，为消除或减轻不稳定流动的有害影响提供理论依据；3、通过研究离心泵内部稳定流动机理，来避免不稳定流动对泵的运行造成的危害，从而提高舰船压载离心泵的高效运行区、强化舰船压载离心泵运行的可靠性。1.2研究内容本研究计划从理论分析、数值模拟以及内流测试来开展舰船压载离心泵内部不稳定流动机理的研究。首先研究舰船压载离心泵在不同工况下的非定常特性，对不同工况下泵内的流动情况进行测量，观测内部流动稳定性随流量变化的过程；在通过数值模拟模型泵在不同工况下的流动情况，分析泵内部压力脉动情况与压力分布；根据以上试验和数值模拟结果来研究不稳定流动的产生机理和传播方式，最后研究叶轮与压水室之间的动静干涉对不稳定流动的影响规律。开展具体的研究内容如下：1、舰船压载离心泵内部不稳定流动的特征以及压力频谱特征研究在不同工况下船舶压载离心泵内部流动的数值模拟方法和试验测试方法，研究船舶压载离心泵在不同工况下叶轮和压水室内部非定常三维湍流流动的特征和构成；研究叶轮和压水室全流道内的旋转失速、回流、二次流等不稳定流动特征的构成和各自所呈现的动态压力频谱特征。2、不同工况下舰船压载泵内部不稳定流动的发展机理和传播方式应用CFD方法，结合试验测试和理论分析，研究舰舰船离心泵主要几何参数对其高效运行区域的影响，重点研究叶轮出口直径、叶片出口宽度、叶片数、朱智朋S151103415-流体2叶片出口角、叶片包角、蜗壳喉部面积、蜗壳基圆直径以及蜗壳进口宽度等主要几何参数对泵全工况性能、内部流场以及性能曲线形状的影响。研究泵全流道内不稳定流动首先在流道内何处产生，产生后又是以何种方式向其它区域传播。3、叶轮与蜗壳之间的动静干涉对舰船压载离心泵内部不稳定流动的影响动静干涉对旋转机械各方面的性能都有重要影响，是设计过程中必须要考虑的一个重要因素。研究叶轮与蜗壳之间的动静干涉作用对舰船压载离心泵内部不稳定流动的影响；重点研究动静干涉部件之间的相对位置、间隙、叶频以及叶轮的叶片数对压力脉动、旋转失速等不稳定流动的影响。1.3研究思路及技术路线本研究将采用PIV测量、动态压力测试和油膜法等流场显示技术分别对舰船压载离心泵的内部流动进行测量；根据现有的计算条件，对数值模拟计算模型采用边界层网格对边界进行加密，使其更加精确地反应舰船压载离心泵的边界流动情况以及压力脉动特性；根据对舰船压载离心泵在不同工况下内部测量和模拟结果来研究内部不稳定流动的产生机理、发展规律、损失结构、流动特征和压力频谱特性等，以及动静干涉作用对不稳定流动的影响。本研究所采用的技术路线如图所示：图1技术路线图①设计、制造试验用舰船压载离心泵。PIV内流试验用叶轮和蜗壳等零件采用透明材料制造，结构设计时要特别考虑透明有机材料的物理特性，防止非稳定工况运行时因零件强度不够而造成的损坏，尤其要满足PIV测量光路的要求。②测试试验用泵的外特性。③在不同工况下，分别测量叶轮和蜗壳内的速度场。采用美国TSI公司的朱智朋S151103415-流体3立体PIV测试系统对模型泵内部速度场进行测量。④采用动态压力测试系统测量压力场，并分析频谱特征。由于压力信号中含有叶频信号、机械振动信号、不稳定流动信号等各种信号，因此需要研究各种信号的提取和分离方法。⑤采用油膜法图像显示流道壁面区域流场。油膜涂料成份的选择和搭配，以及泵运行时间的选择都需要进行研究。⑥对舰船压载离心泵内部流场的数值模拟，重点研究流动分离、旋转失速和回流等现象的发生和发展。⑦结合试验测试和数值模拟结果，理论分析船舶压载离心泵内不稳定流动产生机理、传播方式和抑制方法、从而提高泵运行的高效区。⑧归纳、总结研究工作，并进行项目结题。基于以上叙述，本课题将着重从内流测试技术来研究内部不稳定流动情况，牵涉到的试验测试如下：1、通过压力脉动测试系统获得压载泵的不稳定流动特征和动态压力频谱特性；2、通过PIV测试技术测量流场内部的速度场；3、通过油膜法来显示流道壁面区域流场。二、相关参考文献2.1PIV测试技术粒子图像测试（PIV）是一种基于图像互相关分析的流场非接触式测试技术，在流场测量中占有非常重要的地位，在船舶拖曳水池、柴油喷雾、气固多相流动以及离心泵内部流场领域有广泛的应用，特别的，在内流测试方面PIV测试技术具有全流场快速测量、直观、不干扰流场等优点。杨华、陈松山和袁辉靖等PIV试验研究表明小流量时离心泵的进口、叶片压力面、吸力面出口处以及隔舌区域均有回流。邵春雷]采用PIV对离心泵压水室内部流动进行了测量，结果表明压水室内速度沿轴向分布均匀，随圆周角增大而减小，在叶轮和压水室的交界处，存在清晰的速度分界线。Feng等应用PIV观测到了小流量下离心泵叶轮内脱流现象，指出相邻流道内脱流的运动规律并不相同，流动分离呈现双通道现象。Westra等使用PIV观测到了低比转数离心泵叶轮中的二次流，指出二次流的存在使得叶片吸力面和盖板交接处出现了低速区，同时指出随着流量的增大叶轮出口的“射流-尾迹”结构会明显减弱。Sinha等人采用PIV技术测量了导叶式离心泵内的速度场，认为导叶内的旋转失速在流道内的传播速度与叶轮转速相关，流道内的速度分布规律与叶轮和导叶的相对位朱智朋S151103415-流体4置有关。Pedersen等人利用PIV对一离心泵在设计工况和0.25倍设计工况下的流动情况进行了研究，研究发现在设计工况下，在叶片的表面上没有发生脱流或者回流现象，但在0.25倍设计工况下，不仅观察到上述的两种现象，还发现了一种“双通道”现象，并分析了“双通道”的产生机理和发展规律。Feng等人利用PIV系统研究了一比转数为22.6导叶式离心泵进行了内流测量，测量发现在0.5倍设计工况下就在泵内产生了“双通道”现象。Westra利用PIV和CFD分别对一低比转数导叶式离心泵在0.8、1.0和1.2倍设计工况下的内部流动进行了研究，发现了二次流存产生的位置和发展趋势，且“射流-尾迹”随着流量的变化规律。任芸等人利用PIV技术分析了一比转数为74的离心泵的叶轮流道内不稳定流动的发生和发展规律，研究结果表明：不稳定流动在0.6Qd工况开始产生，直到0.4Qd工况得到发展，最后在0.1Qd时几乎不稳定流动涡发展到了整个叶轮流道；靠近蜗壳隔舌处的叶轮流道内流动最不稳定，最先出现分离涡的流道。2.2压力脉动相关研究压力脉动与机组振动、噪声有着密切的联系，用测试方法来了解内部压力脉动情况被认为是最基本和最可靠的手段。泵内压力脉动的成分而言则可以分为三类:一种是频率接近于白噪声的随机脉动,这种脉动可以认为是随机因素所引起的;一种是频谱为叶频倍频的规律性脉动,这种脉动可以认为是由于某种固定的因素所产生的,称为叶频倍频脉动;还有一种是频谱为轴频倍频的规律性脉动,称为轴频倍频脉动.杨帆、刘超、汤方平等人研究了在额定转速为1450n/min时对5个不同安放角度下能量试验的压力脉动，叶片安放角为-4°时不同特征空旷点空化试验以及三种不同转速的压力脉动等进行了试验和分析。袁建平、付燕霞、刘阳等人研究了三长三短叶片叶轮的离心泵。结果表明:由于叶片和蜗壳的动静相干作用，蜗壳内的压力脉动比较明显;在设计工况下，叶轮与蜗壳交界面周向上的隔舌处脉动最大;蜗壳内各监测点压力脉动的主频都是长叶片的通过频率，次主频为叶片的通过频率;蜗壳流道不同断面上的压力脉动基本一致，而扩压管内的压力脉动要比螺旋段的更有规律性;设计工况下，蜗壳内压力脉动没有明显的高频成分。王福军等人研究了轴流泵不稳定流场的压力脉动特性。研究表明，轴流泵内最大压力脉动发生在叶轮进口前，压力脉动频率主要受叶轮转频控制；在叶轮进口与出口处，从轮毂到轮缘压力脉动逐渐增大，而在导叶中间及导叶出口处，结果正好相反；偏离最优工况越远，脉动的相对振幅越大，在60%流量工况下泵内压力朱智朋S151103415-流体5脉动约为最优工况的2倍。2.3油膜法相关研究油膜法是根据由物体表面上的流体力,作用于涂布在物体表而上的油膜所形成的流迹,推测物体表面的流体流动形态、边界层的特性及流速的大小,从而得到壁面上和物体表面周围区域的流谱等,以便分析研究其流态的一种方法。用油膜法来显示叶片表面流体微团的流动轨迹，运动方式主要有一下三种：毗邻吸力面的流体微团均沿着吸力面运动；毗邻压力面的流体微团一部分是沿着压力面运动；另一部分沿压力面运动一定距离后就由压力面跨过叶片顶面后再沿吸力面运动。大概从上世纪八十年代就有很多学者利用油膜法来显示流道壁面区域的流场，他们做过的主要研究如下：陈秉二、彭国义通过水力机械内部流态油膜法流动可视化，给出了两种可用于水力机械内部流态显示的聚胺脂涂料配方。应用该配方涂料，得到了水轮机导叶端面间隙内水流流态的油膜图象和离心泵叶轮流道内的水流相对运动迹线。唐贵明通过研究用于激波风洞中的表面油流流动显示方法，表明了应用油滴、油膜及其组合等方法在6～8ms的实验时间内，能够清晰地显示三维突出物干扰引起的层流分离、转捩分离和湍流分离流及其尾迹流谱，获得了斜激波撞击湍流边界层所引起的湍流分离流油流显示图像，本方法还广泛用于激波风洞中控制翼、偏转尾翼和空气舵的干扰流动显示。陈次昌、陈红勋通过油膜法及其在水力机械中的应用指出了油膜流线型图的产生机理：1、油中含有颜料的集块，当油膜绕流这些集块时，在集块后形成条纹；2、物体表面存在小突起，或者是在油膜不完全均质的情况下，由于干燥，在物体表面也形成微小凸起，这些微小凸起与颜料的几块类似，使流动油膜集中，在微小凸起后形成条纹；3、与紊流边界层中“喷射”的形成过程类似，即现在底层产生∩字形的弯曲，由于油膜涂料的粘性很大，这种弯曲传到油膜表面，当油膜随野柳流动时，便形成条纹等等。针对自己的大论文，将以双吸泵为载体，来研究变工况下双吸泵内部不稳定流动的发展机理，并将结合以上提到的压力脉动测试技术和油膜法流场显示技术来完成大论文的实验测试技术。