离心泵动静干涉作用机理及低噪声水力设计

主要符号说明

第一章 绪论

1．1 研究目的和背景

1．2 国内外研究现状

1．3 小结

1．4 本书主要内容

第二章 离心泵声学基础

2．1 离心泵噪声评价

2．1．1 离心泵机组声源分类及传播途径

2．1．2 离心泵噪声测量与评估方法

2．2 离心泵流动诱导噪声的产生及传播模型

2．3 离心泵内非定常流体力和非定常流动现象

2．3．1 径向力

2．3．2 动静干涉

2．3．3 进口不稳定来流和叶轮出口黏性尾流

2．3．4 不稳定流动现象

2．4 本章小结

第三章 离心泵动静干涉作用机理研究

3．1 动静干涉试验台

3．1．1 试验台措建

3．1．2 模型泵外特性

3．2 叶轮下游压力恢复能力评估

3．2．1 三孔探针试验装置

3．2．2 探针特性曲线

3．2．3 导叶进口面探针测量结果

3．2．4 导叶内静压测试结果和压力恢复能力评估

3．3 PIV试验

3．3．1 Plv测试系统

3．3．2 PIV测试速度场结果

3．3．3 PIV试验结果与探针试验结果的对比

3．4 导叶内瞬态压力特性试验

3．4．1 试验装置

3．4．2 压力脉动测试结果

3．5 模型泵进口流动诱导噪声特性试验

3．5．1 试验装置

3．5．2 进口流动噪声测试结果

3．6 本章小结

第四章 离心泵流动诱导噪声试验研究

4．1 离心泵流动诱导噪声测试方法

4．1．1 影响离心泵流动诱导噪声测量精度的因素

4．1．2 测试方法

4．2 离心泵流动诱导噪声试验台

4．3 离心泵流动诱导噪声随流量变化的关系

4．4 离心泵流动诱导噪声随转速变化的关系

4．5 叶轮切割对离心泵流动诱导噪声的影响

4．6 离心泵进口回流噪声分析

4．6．1 进口回流流场特性

4．6．2 回流发生时离心泵流动诱导噪声特性

4．7 离心泵空化噪声分析

4．7．1 空化试验方法

4．7．2 空化发生时离心泵流动诱导噪声特性

4．7．3 叶轮切割对离心泵空化性能的影响

4．8 本章小结

第五章 离心泵流动诱导噪声数值模拟

5．1 离心泵流动诱导噪声数值模拟方法

5．2 离心泵流场计算

5．2．1 流场计算模型

5．2．2 流场计算域、网格划分及湍流模型选择

5．2．3 外特性计算结果

5．2．4 径向力和流场压力脉动分析

5．3 基于CFD与声学边界元的离心泵流动诱导噪声计算

5．3．1 声学边界元网格模型及场点设置

5．3．2 声场计算结果

5．3．3 进、出口场点声压级频域响应计算

5．4 基于CFD与声学有限元的离心泵流动诱导噪声计算

5．4．1 声学有限元计算理论

5．4．2 声场计算结果

5．4．3 出口场点声压级频域响应计算

5．5 声振耦合作用对离心泵流动诱导噪声求解的影响

5．5．1 泵体结构有限元计算

5．5．2 声场计算结果

5．6 声场计算方案的选择

5．7 本章小结

第六章 离心泵低噪声水力优化设计

6．1 低噪声离心泵水力设计流程

6．2 模型泵设计参数和优化方法

6．2．1 初步设计

6．2．2 多目标优化方法

6．3 离心泵低噪声优化数值计算

6．3．1 计算域

6．3．2 流场计算

6．3．3 声场计算

6．3．4 数值计算结果

6．4 离心泵低噪声优化结果分析

6．4．1 直观分析

6．4．2 权矩阵优化方法分析

6．5 优化模型与原模型试验对比

6．5．1 外特性和出口流动噪声结果对比

6．5．2 内流场PIV试验对比

6．6 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 研究总结

7．2 研究展望

参考文献

附录1 Wuibaut博士PIV测量的流场绝对速度分布

附录2 进口可视化试验结果

附录3 压力脉动频域测量结果 2100433B

《离心泵动静干涉作用机理及低噪声水力设计》采用机理分析、试验测试和数值模拟相结合的方法对离心泵动静干涉作用机理及流动诱导噪声的特性进行研究，旨在建立若干高效率低噪声离心泵水力设计准则。系统总结分析了离心泵噪声的分类和产生原因，提出现有的离心泵噪声测量和评价标准已不能满足其噪声评估的需要，离心泵流动诱导噪声是离心泵机组噪声测量和评估的关键。

《离心泵动静干涉作用机理及低噪声水力设计》可供从事流体机械设计和节能降噪研究工作的工程技术人员及高等院校相关专业的师生参考。

受运行条件的限制，离心泵常在非设计工况下运行，特别是核电用泵及舰船用泵常在多个工况下运行。目前，多工况水力设计已成为离心泵研究的热点之一。本项目对离心泵多工况水力设计中的关键科学问题展开了研究，以提高其多个工况的运行效率。本项目的研究成果主要有： （1）提出了基于小波神经网络的PIV粒子图像去噪方法，结果表明，该方法在PIV粒子图像去噪方面优于小波变换，具有较大的SNR值和PSNR值。 （2）以图像变形程度为PIV相机调整的评判标准，开发了图像校正程序来调整相机的位置。结果表明：图像校正方法将相机调整的灵敏度从1°提高到0.286°，将图像变形导致的垂直方向位移从7.73个像素降低到1.26个像素。 （3）对PIV粒子图像进行图像掩模操作，结果表明：与常规的方法相比，图像掩模操作可以有效减少流场边界附近出现的互相关计算错误的查问区数目，提高查问区计算精度。 （4）采用叶轮圆周上不同参考点在不同时刻图像中的位置定位叶轮旋转中心。研究表明：图像定位方法可以有效的预估定位误差；图像定位过程得到的定位精度较高，对相对速度重构影响较小。 （5）采用斯托道拉公式、威斯奈尔公式、斯基克钦公式计算了双叶片离心泵的滑移系数，并根据实验值对计算误差最小的威斯奈公式进行了修正，同时进行了实验验证。结果表明：修正后的滑移系数计算误差均在3.5%以内，最大误差为3.23%。 （6）基于泵内各项损失建立了离心泵多工况性能计算模型，并进行了试验验证。结果表明扬程和效率计算误差均在5%以内。同时提出了一种损失系数修正方法，并对一离心泵的各损失系数进行了修正，研究表明误差小于4%。 （7）采用环境识别记忆方法和均匀变异算子对GASA算法进行了改进，研究表明：与GASA算法相比，GASA-EIMS算法收敛速度快且精度较高。 （8）双叶片离心泵的多工况水力优化结果表明：0.8Qd、1.0Qd和1.2Qd三个工况的加权平均效率比优化前增加了1.46个百分点。PIV实验研究表明：小流量工况下，优化后的失速区和漩涡区明显小于优化前；1.0Qd、1.2Qd和1.4Qd工况下，优化后的叶轮内部流态较好，而优化前叶轮内则存在漩涡和回流。 本项目发表论文13篇，其中SCI和EI检索各4篇；申请发明专利8项，其中授权4项；登记软件著作权1项；获省部级二等奖和中国专利优秀奖各1项；培养硕士研究生3名。

多工况水力设计已成为离心泵研究的热点之一。本项目拟对离心泵多工况水力设计中的关键科学问题展开研究，以提高其多个工况的运行效率。.本项目拟采用三维PIV技术研究离心泵全工况下的内部流动特征，采用小波神经网络提出三维PIV粒子图像去噪方法，并结合互相关算法和快速傅里叶变换算法研究粒子图像的精确处理算法。在分析叶轮出口处滑移速度和液流角偏移量的基础上，探索离心泵全工况滑移系数计算模型。基于泵内能量损失的全工况测量建立离心泵多工况性能计算模型。结合EIMS和GASA算法发展求解离心泵多工况性能计算模型的GASA-EIMS算法，研究环境识别因子对求解精度和收敛速度的影响。基于上述研究，提出一种离心泵多工况水力设计方法，并通过试验验证。.本项目旨在建立具有环境识别记忆的离心泵多工况水力设计方法。研究成果对促进我国节能减排目标的实现具有重要意义，同时也为其它叶片式流体机械的多工况水力设计提供借鉴。