本文是一篇给排水工程论文，本文对离心泵快速瞬变过程的瞬态流动展开研究，通过数值模拟的方法对离心泵事故断电飞逸过渡过程进行深入的研究，得到的研究结果如下：（1）对 ANSYS CFX 软件进行二次开发，通过自定义函数求解角动量方程获取实时转速与转矩，建立了模拟离心泵事故断电过渡过程的三维瞬态数值计算方法，对离心泵事故断电过渡过程进行了瞬态数值模拟，获得了离心泵外特性参数瞬变规律以及内部流场的动态特性。其中外特性参数的数值模拟结果与试验结果变化趋势一致。本文重点分析了离心泵工作参数的变化规律，包括离心泵外特性参数（转速、转矩、流量）、叶轮进口速度矩、叶轮进口轴面速度、叶轮叶片表面压力等；
1绪论
1.1 研究背景与意义
泵作为一种应用十分广泛的水力机械，涉及的领域主要包括灌溉、水利、航天动力和核电等各个方面，是重要的能量转换设备。离心泵结构形状紧凑、适用范围广，所以目前应用最广和最多，其重要作用早已受到国内外的重视[1-2]。无论是在工业还是生活应用中，泵在正常的工作阶段基本都会保持在稳定转速下运行，由于叶轮转速或流量等参数不变或变化缓慢，所以泵内流体基本上不会产生额外的旋转、流动加速度，所对应的工况也比较稳定。在过去的几十年里，技术人员关注更多的是泵在运行过程中的稳定性，且研究主要是针对泵在稳定工况下的内部流动特性以及对泵性能的影响展开的。研究发现，泵即使是在正常运行过程中也存在着一些不稳定性现象，主要包括有[3]：（1）叶轮进出口的回流。叶轮进口的回流指的是当泵内流体流量较小时，叶轮进口处的部分流体常会倒流至引水管内，当能量消耗到一定程度后，又会从引水管重新流回至叶轮内，回流流体在引水管中和主流流体混合，伴随着小涡列，从而在引水管中造成主流流体的预旋现象，引起叶轮进口处的压力分布的改变，使得叶轮进口处的压力值比正常值大；同理，叶轮的出口回流指的是当泵内流体流量较小时，流出叶轮的部分流体会从蜗壳进口流回至叶轮出口。实验证明，叶轮出口回流会导致泵在小流量工况下的功耗及轴功率上升[4-6]。（2）动静干涉。指的是泵在运行过程中，叶轮出口产生的尾流以及旋转流场会导致叶轮叶片与蜗壳隔舌或者导叶相互之间发生干涉，且固定导叶这一静止部件的存在同样会影响到相邻部件的流动状态，进而使得泵内各部件流道内产生不稳定流动，诱使漩涡的产生[7-9]。（3）射流-尾迹。叶轮在转动过程中离心力的作用，使得泵内流体在近叶轮出口吸力面处容易产生流动分离现象，即尾迹区；此外，叶轮叶片前缘比叶片尾缘厚会使得叶轮流道的下半部分产生跟叶轮旋转方向相反的二次流，使流体由吸力面向压力面移动，形成射流-尾迹。其中，射流尾迹区范围越宽，流动的损失也就越大，从而造成泵的性能下降[10-12]。（4）失速。当泵在流量较小的情况下运行时，叶轮和导叶流道内常常会形成若干个绕轴低速旋转且方向相同的失速团，它们往往会阻塞流道、使泵发生低频高振幅的振动从而严重影响泵的性能[13-15]。
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1.2 国内外研究现状及发展趋势
离心泵的内部瞬态流动与快速瞬变过程的研究虽然已获得一定的进展，但是对瞬态过渡过程中的水力性能的研究起步较晚，所以这方面的研究成果在相比于稳定工况较少。最早关于离心泵瞬态过程的研究主要围绕的是管路水击展开的，且至今已经有一百多年的历史，该研究是当有长管道的泵系统的阀门突然关闭时，会使得在管道中产生很大的由水力冲击带来的高压力，压力管道的水击或者振动不仅会影响泵装置输水管路的安全运行，还会降低装置运行效率[18-19]。在随后的几十年里，国内外学者开始关注泵在瞬态操作条件下的外特性变化规律以及内流态特性。
最早对于瞬态过渡过程的研究方法主要以理论计算和试验为主。其中，理论计算的方法可以分为两种：一为外特性数值计算法[20,21]，是将机组内部的流动用一元微分方程来描述，它的局限性在于这种方法需要机组完整的综合特性曲线作为边界条件才能对该方程进行求解；为了较好地解决该问题，有学者提出了另一种方法，即内特性数值计算法[22,23]，将过渡过程中的各个动态参数用一系列相对应的解析表达式来描述，再结合相应的边界条件参数即可求解，相比于外特性数值计算法，这种方法不需要机组完整的综合特性曲线，所以该方法理论上适用于一般过渡过程的计算。
试验作为研究过渡过程的另一种重要手段，被分为模型试验和原型试验这两种。模型试验相比于原型试验来说，操作更方便、更易于观察，且边界条件与工况转换的调整与改变也较容易，但是由于模型与原型之间的动态参数相似理论目前仍然不完善，所以由模型试验得到的动态特性参数换算为原型参数后一般会有偏差，再加上有些特殊的瞬态过程是模型试验无法进行模拟的，所以从这些角度考虑，模型试验并不能完全替代原型试验。
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2 数值模拟方法与计算模型
2.1 流动控制方程
湍流是指各流体质点在运动过程中存在并保持不断地无规律混掺、流场中不同大小漩涡的不断产生与消失，使得速度、压力等物理量大小均不断变化的一种流动模型。层流和湍流均都要受质量守恒、动量守恒和能量守恒定律的约束。在实际的湍流数值模拟计算问题中，基于守恒定律通过以一定的数值格式可创建对应流场的微分控制方程组并结合具体的流动基本参数包括初始边界条件等进行离散，运用计算机来获取系统内各项物理量以及外特性参数的值。由于本文的研究对象中的介质为不可压缩的液态水，并认为在流动过程中无热量的传递，因此对能量方程不需要探讨。
（1） 质量守恒方程
质量守恒微分方程如下[48]：
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2.2 数值模拟方法与离散格式
2.2.1 数值模拟方法
湍流计算方法大体上可以分为：①直接数值模拟法；②非直接数值模拟法[49]，其具体分类如图 2-1 所示。直接数值模拟方法[50,51]对于湍流计算来说，要求网格分辨率高，需要庞大的网格节点和时间成本，对计算机的性能要求较高，应用较少。应用较多的非直接数值模拟法目前主要包括以下三种[48]：
1) 统计平均法：从概率统计的角度基于湍流相关函数对湍流流场结构进行描述，这种方法离实际工程应用还是有一定的差距。
2) 雷诺时均法：通过对 N-S 方程变量在时间上作平均，同时结合补充方程对其进行求解。此方法在数值模拟计算中被广泛采用。
3) 大涡模拟法：用非稳态 N-S 方程直接求解湍流中的大涡，而小涡的影响则采用近似模型亚格子尺度模型处理模拟，在理论上比湍流模式理论更加精确，LES 方法可以在计算机资源足够丰富的时候尝试使用。
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3 断电飞逸过渡过程中离心泵特征参数及内部流场变化............................15
3.1 离心泵外特性数值模拟结果与试验结果对比..............15
3.2 离心泵工作特征参数变化...........................16
4 离心泵断电飞逸过渡过程压力脉动分析.............................31
4.1 各过流部件的测点压力变化........................31
4.1.1 引水管的压力变化................................. 31
4.1.2 叶轮内的压力变化.................... 32
5 基于熵产理论的离心泵断电飞逸过渡过程特性分析................................. 45
5.1 熵产理论介绍............................ 45
5.2 各过流部件的熵产................................. 47
5 基于熵产理论的离心泵断电飞逸过渡过程特性分析
5.1 熵产理论介绍
熵产是指过程中会存在由不可逆性因素造成的耗散效应，使损失的动能、压力能转化为内能。在离心泵事故断电飞逸过程中存在各种不良流动，如漩涡、流动分离、回流等，这些紊乱的流态会导致损失增加，从而引起熵产的增加。在本次计算中，流体介质为水，水的比热容较大且不可压缩，在此过程中认为温度不变，可不考虑传热带来的熵产。本文通过数值模拟仿真，采用熵产理论对离心泵内部流动的能量损失情况进行具体分析与评价。
叶轮区域的总熵产值的变化幅度最大，这是因为断电后的叶轮做功能力下降，由于流量与转速的大小、方向的不断变化，导致其流道内的流态十分紊乱，存在漩涡、流动分离、回流等不良流动，引起速度梯度的不断变化，从而引起熵产值的大幅度变化；引水管的变化相较于叶轮来说熵产值变化幅度较小；而导叶区域在反向转速达到最大值时，熵产值出现明显突增，呈指数增加，这说明在接近飞逸转速时，损失严重；蜗壳的熵产数值小且几乎无变化，约占总损失的 0.5%。在进入稳定的飞逸工况后（t > 0.8365 s），可以看到最大的熵产部件为导叶，其次是叶轮、引水管、蜗壳。
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6 总结与展望
6.1 总结
在离心泵事故断电飞逸这一过渡过程中，泵的转速、流量等外特性参数会在短时间内产生剧烈的变化，使得内部流场极为不稳定，流体的湍流强度急剧上升，并会经历边界层的形成、内流漩涡等各种不稳定的紊流现象，与稳定工况中产生的周期性非定常流动相比存在很大的区别，即会产生一定程度的瞬态效应，是引起泵机组外部瞬时水力冲击或电机超载的关键因素，同时还会导致机组振动及噪声等问题，这对机组的稳定运行有着重要影响。本文对离心泵快速瞬变过程的瞬态流动展开研究，通过数值模拟的方法对离心泵事故断电飞逸过渡过程进行深入的研究，得到的研究结果如下：
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