离心泵快速启动瞬态水力特性研究与数值模拟项目摘要

潜水舰船中直接推动武器发射的离心式水泵是涡轮泵发射系统的关键部分，而涡轮泵发射系统是当前国际最先进潜水舰艇装备的武器发射装置，到目前其应用在我国还是空白，亟需发展。由于武器发射所持续的时间极短（0.8秒内），离心泵的整个工作过程处于快速启动阶段，属于高度瞬态工况，对离心泵在这种工况下的研究，国外做了一些零散的初步工作，且具体内容很少公布，而我国在此前未有研究。鉴于该基础研究对涡轮泵发射系统研制与应用具有决定性意义，并且对通常的管路水锤预测防护也很重要，本课题将针对快速启动的离心泵在各种不同内部参数和外部环境参数下的瞬态特性做系统的数值仿真及试验研究，研究叶轮内部不稳定流动，建立数值计算模型，预测离心泵快速启动的水力特性。最终将结果用于预测涡轮泵武器发射系统中离心泵的工作特性，还可编制计算软件应用到其他通用机械场合。

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。

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。

数值模拟研究的主要工作程序对一个油气藏进行综合的数模研究，往往需要花较大的精力和较长时间（有时会达一年甚至更长的时间），同时还对计算机硬件和技术人员有很高的要求，然而尽管在不同的项目中，面对的问题会千差万别，但大多数油藏数值模拟的基本研究过程是一样的。为了使读者一开始就对数模研究工作有一个明确的整体概念，下面简要地介绍一下油藏数值模拟的主要工作程序。

问题的定义：开展油藏数模工作的第一步，是确定研究的目标和范围。即首先要给本次数模研究一个明确的定位，明确本次模拟要解决的主要问题是什么，需要研究哪些油藏动态特性，这些项目的完成对油藏的经营管理者会产生什么影响等等。从而根据项目的要求进行数值模拟研究程序设计，并收集有关的油藏基础地质、流体及生产动态数据。