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什么是流动湍流？非定常流动振动

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理解流动湍流

定义：什么是流动湍流？

流动湍流 湍流是一种混沌、不规则的流体运动，其特征是泵、风机、压缩机和管道系统中出现随机的速度波动、旋转涡流和涡旋。与流体粒子沿有序平行路径运动的平滑层流不同，湍流表现出随机的三维运动，速度和压力持续变化。在旋转机械中，湍流会对叶轮和叶片产生不稳定的力，从而产生宽带湍流。 振动, 噪音、能量损失，并导致部件疲劳。.

虽然一些湍流是不可避免的，而且在许多应用中甚至是可取的（湍流可以提供更好的混合和传热），但不良的入口条件、非设计运行或流动分离造成的过度湍流会造成振动问题，降低效率，并加速泵和风扇的机械磨损。.

湍流的特性

流动状态转变

根据雷诺数，流动状态从层流转变为湍流：

  • 雷诺数（Re）： Re = (ρ × V × D) / µ
  • 其中，ρ = 密度，V = 速度，D = 特征尺寸，µ = 粘度
  • 层流： 关于 < 2300（平滑，有序）
  • 过渡： 参考 2300-4000
  • 湍流： Re > 4000（混沌，不规则）
  • 工业机械： 几乎总是在湍流状态下运行

湍流特性

  • 随机速度波动： 瞬时速度围绕平均值呈混沌变化
  • 涡流和漩涡： 大小不一的旋涡状结构
  • 能量级联： 大涡旋会分解成越来越小的涡旋。
  • 混合： 动量、热量和质量的快速混合
  • 能量耗散： 湍流摩擦将动能转化为热能

机械湍流的来源

入口扰动

  • 进气口设计不良： 急弯、障碍物、直线距离不足
  • 漩涡： 进入叶轮/风扇的流体预旋转
  • 非均匀速度： 速度分布偏离理想状态
  • 影响： 湍流强度增加、振动加剧、性能下降

流动分离

  • 逆压梯度： 流体从表面分离
  • 非设计运行： 错误的流动角度导致叶片上出现分离现象。
  • 摊位： 叶片吸力侧的广泛分离
  • 结果： 极高的湍流强度，混沌力

尾流区

  • 叶片、支柱或障碍物下游的湍流尾流
  • 尾流中湍流强度高
  • 下游部件会受到不稳定的力作用。
  • 叶片尾流相互作用在多级机械中至关重要

高速区域

  • 湍流强度通常随速度的增加而增加。
  • 叶轮叶尖区域、出水喷嘴高湍流区域
  • 产生局部高压和磨损

对机械的影响

振动产生

  • 宽带振动： 湍流会在很宽的频率范围内产生随机力。
  • 光谱： 噪声基底升高，而非离散的峰值
  • 振幅： 随湍流强度增加而增加
  • 频率范围： 湍流引起的振动通常为 10-500 Hz

噪声产生

  • 湍流是空气动力噪声的主要来源。
  • 宽带“呼啸”或“奔涌”声
  • 噪声水平与速度的6次方成正比（对速度非常敏感）
  • 在高转速风扇中，它可能是主要的噪声源。

效率损失

  • 湍流摩擦会耗散能量
  • 降低压力升高和流量输送
  • 典型湍流损失：2-10% 的输入功率
  • 非设计工况运行时增加

部件疲劳

  • 随机波动的力会产生循环应力
  • 高频应力循环
  • 有助于叶片和结构的形成 疲劳
  • 尤其是在高速行驶时，这一点令人担忧。

侵蚀和磨损

  • 湍流会加剧磨蚀性工况下的侵蚀。
  • 湍流悬浮颗粒撞击表面
  • 高湍流区域加速磨损

检测与诊断

振动频谱指标

  • 高级宽带： 全频谱范围内噪声基底较高
  • 缺乏离散峰： 与具有特定频率的机械故障不同，这种故障并非由机械故障引起。
  • 流量相关： 宽带水平随流量变化
  • 盈亏平衡点最低价： 设计点处的湍流最低

声学分析

  • 声压级测量
  • 宽带噪声增加表明存在湍流
  • 声谱与振动谱相似
  • 定向麦克风可以定位湍流源。

流动可视化

  • 设计过程中的计算流体动力学 (CFD)
  • 测试中的流光或烟雾可视化
  • 压力测量结果显示波动
  • 粒子图像测速（PIV）在研究中的应用

缓解策略

进水口设计改进

  • 上游应提供足够长的直管段（至少 5-10 倍管径）。
  • 入口前立即消除急弯。
  • 使用整流器或导流叶片
  • 喇叭口或流线型进气口可减少湍流的产生。

工作点优化

  • 尽可能在最佳效率点 (BEP) 附近运行
  • 流动角度与叶片角度相匹配，最大限度地减少分离
  • 最小湍流生成
  • 变速控制以保持最佳点

设计修改

  • 流道过渡平滑（无尖角）
  • 扩散器用于逐渐减缓流速。
  • 涡流抑制器或防旋流装置
  • 用于吸收湍流噪声的声衬

湍流与其他流动现象

湍流与空化

  • 湍流： 宽带、连续、流量相关
  • 气蚀: 脉冲式、高频、NPSH依赖型
  • 两个都： 两者可以共存，都能产生宽带振动

湍流与回流

  • 湍流： 随机的、宽带的、存在于所有流中
  • 再循环： 有组织的不稳定性，低频脉动，仅在低流量下出现
  • 关系： 回流区湍流非常剧烈

旋转机械中高速流体流动固有的湍流特性不容忽视。虽然湍流无法避免，但可以通过合理的入口设计、接近设计点的运行以及流动优化来最大限度地降低其强度和影响。了解湍流作为宽带振动和噪声的来源，有助于将其与离散频率的机械故障区分开来，并指导采取针对流动条件而非机械维修的适当纠正措施。.

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