﻿ 关于水泵进口流场均匀装置的研究
 舰船科学技术  2016, Vol. 38 Issue (8): 79-85 PDF

The analysis of the flow uniformity at the inlet of pump
LIU Hai-jian, XU Jun, ZHOU Fu-chang, SU Sheng-li, YAO Wu-ping
Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China
Abstract: In order to improve the uniformity of the flow field at the inlet of pump, three rectifiers have been devised and testedin this paper. The result of numerical simulation and experiment show that the flow resistance coefficient of rectangle grid rectifier is triple larger than other rectifiers, and the axial average flow angle is the most importantparameter to decide the uniformity of the flow field, andthe axial flow angle of all rectifiers has been increase in 2.5° at least. The rectifier of guide body 1D has the minimum side effect when the inflow's uniformity is fine; it has extensive scope of application.
Key words: uniformity     vibration     elbow
0 引  言

1 流场均匀装置模型

 图 1 流场均匀装置 Fig. 1 The rectifer of flow field
2 数值仿真计算 2.1 数值计算模型

 图 2 数值计算模型及网格 Fig. 2 The geometry of the rectifer and the gird

 图 3 数值计算收敛曲线 Fig. 3 The convergence curves of numerical simulation
2.2 流场均匀装置水力特性

 ${\rm{ }}\lambda {\rm{ }} = \frac{{2\Delta {p_j}}}{{{\rm{ }}\rho {\rm{ }}{{\bar U}^2}}}，$ (1)
 $\Delta {p_j} = \Delta {p_t} - \Delta {p_g}$ (2)

 图 4 流场均匀装置阻力系数与流量关系图 Fig. 4 The relationship between the flow rate with the resistance coefficent for different rectfiers
2.3 流场不均匀性分析

1）轴向速度不均匀度

 ${\rm{ }}\xi {{\rm{ }}_u} = \frac{1}{{\rm{Q}}}\int {\sqrt {{{\left( {u - \bar U} \right)}^2}} {\rm{d}}A} 。$ (3)

 图 5 均匀装置的轴向速度不均匀系数与流量关系 Fig. 5 The relationship between the flow rate with the uniformity of the axial velocity for different rectfiers

 图 6 均匀装置进出口的速度分布云图 Fig. 6 The colormap of velocity at the inlet and outlet of rectfiers

 图 7 轴向速度角定义 Fig. 7 The definition of the axial velocity angle

2）轴向速度角分析

 $\theta = \arctan (Uw/(Ur + Ut))，$ (4)
 $bar\theta = \sum\limits_{i = 1}^n {{\theta _i}{A_i}} /\sum\limits_{i = 1}^n {{A_i}}。$ (5)

 图 8 均匀装置的轴向速度角度与流量关系 Fig. 8 The relaiton between the axial velocity angle with the flow coefficent

1）安装不同的流场均匀装置后，进口S1平面的轴向速度角几乎保持不变，且随着流速的增加，平均速度角微弱增加；

2）随着流量/流速的增加，流场均匀装置后的S2截面平均轴向速度角微降；对比直管段，流场均匀装置都能够明显的改善流体轴向速度角，各流场均匀装置间差距较小，最大相差只有0.8°，水流经流场均匀装置整流以后至少提高了2.5°，流场均匀能够显著提高平均速度角；

3）轴向速度角总体变化规律为：网格0.5D > 同心圆1D > 网格1D > 导流体1D > 同心圆0.5D > 导流体0.5D > 直管。

3）压力场不均匀度分析

 ${\rm{ }}\xi {{\rm{ }}_p} = \frac{1}{{\bar PS}}\int {\sqrt {{{\left( {p - \bar P} \right)}^2}} {\rm{d}}A} 。$ (6)

 图 9 均匀装置的压力不均匀系数与流量关系 Fig. 9 The relaiton between the pressure uniformity with the flow coefficent

1）对于所有的流量工况，S1截面的压力不均匀度都小于1‰，不同流场均匀装置的进口状态相同，差异极小；

2）随着流量的增加（流速增加），S2截面的流场不均匀系数逐渐加大；

3）当不添加流场均匀装置时，其直管段S2截面的流场不均匀系数最大，所有的流场均匀装置都能够有效提高压力均匀分布；

4）对比不同均匀装置S2的，流场均匀装置的压力均匀效果排序为：网格0.5D > 网格1D > 同心圆1D > 同心圆0.5D > 导流体1D > 导流体0.5D > 直管。

3 试验测试及结果分析

3.1试验台架组成

 图 10 流场均匀装置测试布置图 Fig. 10 The test rig of the rectfier
3.2 试验测点和工况

3.3 测试结果分析

 图 11 泵转速叶频值分布直方图（转速1） Fig. 11 The BPF noise of the pump(No. 1)

1）在进口阀门开度为90°状态下，此时泵的进流状态较好，直管对应的叶频线谱均小于其它流场均匀装置。导流体0.5D和同心圆0.5D叶频线谱值最大，比直管高约2.1 dB；导流体1D对比于直管，增加值约为1.2 dB，同心圆1D增加为1.5 dB；

2）当进口阀门开度为60°时，此时泵的进流状态相比于阀门开度为90°出现了一定恶化，测试得到的直管对应叶频线谱值最高，所有的流场均匀装置对降低叶频线谱都开始体现出一定的效果；其中导流体1D的叶频线谱最小效果最佳，比直管段减低了1.9 dB；网格1D降低了1.3 dB；

3）当进口阀开度为30°时，此时泵的进流状态急剧恶化，所有流场均匀装置都有较好的降噪效果，至少有5 dB的降噪效果，其中同心圆1D的降低效果最明显，达到了7.6 dB。

 图 12 泵转速叶频值分布直方图（转速2） Fig. 12 The BPF noise of the pump(No. 2)

1）当进口阀开度为90°时，此时泵的进流状态较好，导流体1D降低泵叶频线谱值最佳，达到了3 dB；同心圆0.5D也有0.8 dB的叶频降低效果；其他的流场均匀装置的叶频线谱值均大于直管段；

2）当进口阀开度为60°时，此时泵的进流状态相比于阀门开度90°出现一定的恶化，网格1D和导流体1D显示出了比较明显的降噪效果，其中在进口阀60°时分别降低约1.8 dB和3.1 dB；

3）当进口阀开度为30°时，导流体1D的降低效果最明显，约为1.8 dB。

1）流场均匀装置的叶频降低效果与流速、泵进流状态密切相关；

2）当泵转速较高、进流状态较好时，流场均匀装置并不能够很好的降低泵出口叶频线谱；

3）当泵进流状态恶化时（进口阀门开度30°），流场均匀装置能够有效的降低叶频线谱值。

1）当泵转速较高进流状态较好时，流场均匀装置会小幅度的增加泵出口叶频线谱；当进流状态开始恶化时，流场均匀装置开始显示一定的降噪效果；当进流状态大幅度恶化，流场均匀装置可以大幅降低泵叶频线谱，最低的降噪效果有5.5 dB。

2）当泵转速较低时，在不同的阀门开度小，部分流场均匀装置能够有效的降低泵出口叶频线谱，其中导流体1D能够适应不同的泵进流状态，在所有的阀门开度下都有较大的降低效果。

4 结语

1）网格1D和网格0.5D均流装置的流阻系数至少是设计方案的3倍，远大于其它均流装置。进口截面轴向平均速度角是影响水泵进流状态最关键的参数，在不考虑网格0.5D和网格1D的情况下，同心圆1D、导流体1D、同心圆0.5D、导流体0.5D都具有相当的一定流场均匀效果。根据压力不均匀度和轴系速度不均匀度分布可知，各流场均匀装置与直管之间差异极小，这2个参数对泵进进流状态影响有限。

2）导流体1D对比直管以及其他流场均匀装置，能够适应较宽水泵转速及进流状态。泵在高转速运转时，进口阀门开度为30°时导流体1D降噪效果能够达到5.7 dB；当进流状态较好且泵位于高转速时，进口阀开度为90°时，虽然没能够降低叶频线谱，但其使得增加值只有1.2 dB，具有较广的使用范围。

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