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离心泵叶轮由于旋转运动和静止部件之间存在相对位置变化,导致流场产生强烈的动静干涉现象,该现象是离心泵产生压力脉动的主要原因。压力脉动会诱导噪声和高频振动的出现,甚至共振,严重的影响了离心泵的运行环境和使用寿命,因此我们需要采取主动措施降低动静干涉引起的压力脉动。叶片出口尾缘的形状对动静干涉作用有十分重要的影响,通过合理的设计叶片出口尾缘结构可以起到降低压力脉动的效果,对提高离心泵的运行稳定性能有着重要的意义。本文根据仿生学原理设计了不同尾缘形状的叶轮模型,分别为原始尾缘(original trailing edge),简称 OTE,正弦结节形尾缘(sinusoidal tubercle trailing edge),简称STTE,主要的研究内容和结果如下:(1)设计叶轮模型。根据仿生学原理,座头鲸胸鳍上的正弦结节结构具有优越的水力性能,将其应用到叶片尾缘能够起到主动控制叶片出口区域动静干涉的作用,从而降低压力脉动。根据尾缘正弦结构特征的尺寸大小,叶轮模型分别命名为OTE,STTE-1,STTE-2,STIE-3。(2)叶轮模型的性能试验,测试了四种模型泵的外特性变化规律和泵腔内压力分布情况。结果发现,STTE-1叶轮模型的外特性最好,在小流量时扬程和OTE较一致,流量增大后扬程增加明显。STTE-2、STTE-3和原始叶轮OTE相比较,扬程和效率均有所下降。四种模型泵泵腔内的压力分布规律相似,随着流量的增大,泵腔周向各个监测点的压力值均逐渐降低,并且压力下降梯度逐渐增大。模型泵STTE-1在全流量工况下压力变化梯度最小,具有较优的压力稳定性,而STTE-3的压力稳定性较差。模型泵STTE-3主频的最大压力脉动幅值比原始模型泵OTE增加了 8.9%;STTE-1主频的最大压力脉动幅值比OTE降低了 7.1%。(3)为了揭示四种叶轮模型试验中的外特性和压力分布差异的原因,本文结合定常计算,分析了模型泵不同流量下流场的压力分布、叶片表面载荷、速度流线分布以及湍动能分布情况,结果发现叶片尾缘形状对内部流场和能量分布影响显著。模型泵STTE-2、STTE-3的进口低压区域面积减少,降低了在叶轮进口处发生汽蚀的风险,但内部流场紊乱,导致损失增加,压力脉动增强;模型泵STTE-1具有相对均匀的压力分布,流道内无明显旋涡存在,具有更好的扬程性能,并且高湍动能分布区域较少,能量损失较小。(4)模型泵内部压力脉动研究。本文采用非定常计算,引入了压力脉动强度系数,研究流道内和隔舌动静干涉区域的压力脉动分布,发现高强度的压力脉动主要集中在隔舌的区域以及叶轮流道出口段。同时定量比较了四种模型泵在设计流量下压力脉动的时域和频域分布,各监测点的时域曲线呈现较一致的规律性,隔舌区域的压力脉动幅值比其他区域的都高。通过比较,模型泵STTE-1的最高压力脉动幅值比OTE降低了 8.97%,STTE-2和STTE-3压力脉动幅值升高。(5)对比分析了四种模型泵叶片尾迹区的涡核分布,发现在叶片尾缘处有大量的脱落涡。其中,原始模型泵OTE的脱落涡呈现宽大的团带状,占据体积大,运行速度快,与蜗壳撞击后产生的压力脉动较大,而STTE-1的尾迹区涡核分布均比原始模型泵OTE的涡核减少,由于叶片尾缘的微小正弦结节结构将宽大的团带状脱落涡分离为若干个小的条状脱落涡,使涡核占据的区域和能量均减少,脱落涡产生的动静干涉作用也因此减弱,所以压力脉动减小。STTE-3的尾迹区涡核增多,动静干涉作用增强,压力脉动增大。