径向水力激振力求解结果与分析

离心泵转子系统在流体作用下发生振动变形的直接原因之一是作用在叶轮上的径向水力激振力。从图中可以看出，径向力曲线呈椭圆形分布，曲线上出现的小波动主要是由流固耦合求解过程中数值不稳定性造成的，但该波动相对较小，已经通过前述的数值阻尼进行了控制，不影响整个计算结果的趋势。

理论教育 2023-06-16

瞬态压力传感器测量系统及校准方法

尽管传感器出厂时已经进行了各频域范围的校准处理，但出厂测量的电路和采集系统，与实验室中的数据采集系统不同，测量会存在一定的偏差，因此，有必要在实验室数据采集电路中对传感器进行校准。压力脉图5-8 HBM Scout 55有源测量用放大器[167]图5-9 瞬态压力传感器实验室静态校准曲线动测量过程中，数据采集系统的采样频率为10kHz。

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耦合计算中的阻尼系数求解优化

α阻尼系数通常在系统连接处考虑，由于本计算中转子系统本身没有考虑连接，因此可以忽略该阻尼系数的影响，仅考虑β阻尼系数的影响。为了将计算数据与试验结果进行对比并达到较高的精度，选取多个数值阻尼系数进行计算，并分析其对结果的影响，从而确定该系数值。图4-20是数值阻尼系数在0.4～0.9区间内的计算结果对比。

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速度非定常强度与湍流强度的分布与分析

对于n=1250r/min，Q=11L/s工况，时均相对速度非定常强度分布规律复杂，在靠近叶片工作面以及前后盖板附近存在强度值较大的区域。如图5-44所示是蜗壳流道内不同圆周位置时均绝对速度非定常强度的分布。从图中可以看出，各工况下时均绝对速度非定常强度在圆周方向分布的结果差别不大，仅在n=1250r/min，Q=11L/s工况下波动相对明显。

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测量传感器及其系统校准优化方案

离心泵瞬态水力激振测量试验所使用的传感器及数据采集系统都是高精度实验设备，在出厂时已经过校准测量，有校准曲线等数据资料。作者自行设计并制造了电涡量振动位移传感器系统校准装置，由传感器支架、目标金属盘和位移调整机构等构成，如图3-9所示。电涡量振动位移传感器系统可对不同的金属目标进行测量。图3-10 x方向电涡量振动位移传感器系统校准曲线将电涡量探头、电缆以及前置器组成的测量链与数据采集处理系统进行连接。

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单叶片叶轮模态求解结果与分析

基于ANSYS的模态求解已成功地应用在很多领域，包括旋转机械领域，且都取得了与试验模态吻合较好的结果，本书的模态分析是基于ANSYS的有限元计算方法。本节根据模态求解理论，针对本章中的单叶片叶轮有限元模型进行了求解。求解模式使用的是Direct方式，模态求解方法使用的是Block Lancos法。表4-3单列出的是求解得到的转子前6阶模态的固有频率。

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数据采集系统的实现与优化

本试验使用的所有传感器必须与数据采集卡配合使用，采集卡与计算机内部的数据采集程序相连，组成数据采集系统。因此，数据采集卡的性能直接决定了数据采集系统的性能。此外，该卡的精度可达0.01%，配备的USB2.0接口，数据传输率达480Mb/s，可满足本试验数据采集的要求。图3-25 USB数据采集卡试验数据采集系统是基于美国国家仪器NI公司的LabVIEW程序开发的。LabVIEW提供了实现仪器编程和数据采集的便捷途径，可以大大提高工作效率，且其拥有一个庞大函数库。

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耦合问题求解策略分析

2）将耦合系统的问题分成不同的系统进行分别求解，将求解的问题简化，降低了求解系统对计算资源的需求。双向耦合方法主要是针对具有强物理耦合效应的问题，即除了考虑流动对结构的影响，结构的变形或运动对流动的反作用也需要考虑。这种方法主要用于处理流体与结构间的弱耦合效应或结构的变形只影响流体域的边界范围的问题。图2-2 双向耦合求解策略图2-3 单向耦合求解策略

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计算模型与网格划分优化策略

流场计算将针对模型离心泵全流场，即流动区域不仅包括叶轮和蜗壳流道，还包括叶轮和泵体间的空腔区域，以及叶轮口环间隙内的流动区域。图6-1 模型离心泵泵体总装图及实物照片图6-2 模型离心泵叶轮结构及流场区域表6-1 模型离心泵主要几何和性能参数（续）分别对叶轮结构模型以及流体模型进行网格划分。流体区域网格采用多块式六面体结构网格进行划分。

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优化离心泵内部流动分析：三维非定常强度

非定常强度的最大值出现在D区域，即叶片后缘靠近工作面的位置。此外，叶轮进口段靠近前盖板的区域非定常强度较大。从图中可以看出，设计流量工况下，绝对速度非定常强度较弱，较大值主要集中在口环泄漏和叶轮出口处。从图中可以看出，在前后泵腔和口环内流动的湍流强度较大，且口环泄漏流动对泵进口段壁面附近的湍流强度也有明显影响。如图6-39所示是设计流量工况下模型离心泵蜗壳流道中截面三维时均湍流强度的分布。

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流固耦合理论与求解方法详解

流固耦合作用是自然界客观存在的一种特殊现象，是指流体与固体之间的相互作用。流固耦合问题的研究历史可追溯到19世纪初，人们对于流固耦合现象的早期认识源于机翼及叶片的气动弹性问题。流固耦合的数值求解方法在过去数十年间取得了长足的发展，并已经成为研究领域最热门的主题之一。动边界法是目前工程技术研究领域使用最广泛的流固耦合求解方法。

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试验回路系统的构建与优化

试验回路系统主要包括：图3-1 试验回路系统示意图图3-2 试验回路系统实景图1）Ritz AS100—250型卧式单级单吸单叶片模型离心泵，其主要参数见表3-1，总装图及实物图分别如图3-3和图3-4所示。3）内径为100mm的全不锈钢管路。综上所述，与普通离心泵叶轮相比，单叶片叶轮易引起水力激振现象，其振动位移相对较大，对离心泵的可靠性影响更明显。本章针对单叶片离心泵叶轮瞬态水力激振现象进行试验测量，得到叶轮水激振动的位移轨迹。

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水力激振数据处理方法

如前所述，本试验期望获得的是由离心泵内部动静干涉作用产生的周期性水力激振结果。从图3-36中可以看出，尽管两条曲线代表的测试转速差别巨大，但在“干”测试中，两曲线趋势相同，且差别不大。如果转子质量不平衡，叶轮随着转速的变化在“干”条件下的振动应发生明显变化，即随转速的增大，振动应明显增大。图3-36 “干”测量条件下叶轮在80r/min和1440r/min转速下x方向典型振动分量的测量结果对比

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离心泵叶轮模态分析方法及应用

在瞬态流固耦合计算前，需对转子模型进行模态分析。从表中可以看出，离心泵叶轮的第1阶固有频率为719.8 Hz，远高于模型离心泵叶片通过频率。根据第4章中的分析可知，此时流固耦合的数据传递过程中，振动位移是结构对流场影响最重要的载荷量。此外，叶轮模型的前两阶模态频率相近，第4和第5阶、第7和第8阶固有频率差别不大。表6-2 模型离心泵转子系统前10阶固有频率如图6-11所示是模型离心泵叶轮前10阶模态的振型。

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压力脉动强度分布及分析

如图5-20所示是不同工况下叶轮中截面上压力脉动强度的分布情况。图5-21 额定转速不同工况下蜗壳流道中截面压力脉动强度分布如图5-22所示是不同工况下前泵腔口环处轴截面压力脉动强度的分布情况。从该图可知，在大流量工况下叶片工作面靠近后盖板的位置压力脉动强度相对较大；小流量Q=11L/s工况下，压力脉动强度相对较小。因此，尽管在Q=11L/s工况下模型离心泵内部的绝对压力值较高，但其压力脉动强度较低。

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湍流场非定常特性研究现状及动静干涉效应

离心泵领域对于动静干涉非定常流动的研究工作也已经展开，在数值模拟方法及其应用方面取得了一些研究进展。研究结果表明，此算法可得到动静干涉作用结果，但导叶对叶轮流道内流体的作用受到限制。随着三维模拟技术的发展，全三维流道的动静干涉非定常数值模拟工作开始展开。

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