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双流道式污水泵叶轮三维设计及水力模型开发研究

2020-11-28阅读(565)

双流道式污水泵叶轮三维设计及水力模型开发研究

论文摘要

围绕双流道污水泵叶轮的三维设计方法、基于Pro/Engineer二次开发的双流道叶轮三维参数化设计程序,和双流道污水泵内部主要过流部件叶轮与蜗壳耦合的全通道数值模拟,本文展开了较为广泛而深入的研究,取得了以下研究成果:1.对常用的双流道污水泵叶轮图纸的表达方法进行了研究,发现存在平面图上与轴面图中的流道断面投影结果不一致的问题。断面形状为沿对称轴对折的椭圆,此对称轴始终垂直于轴截面,则其方向与平面图上的流道中线无关。因此,传统中认为其垂直于平面图上的流道中线而确定的截面尺寸并不符合实际的投影关系。这就是传统设计中经常出现的双流道叶轮平面图、断面面积与叶轮木模三者不一致的主要原因。建议在双流道污水泵叶轮设计时,平面绘型应作为初步设计,然后在三维造型中确定其余参数,由三维造型来生成平面绘型,以保证设计与木模一致。2.双流道污水泵叶轮形状比较特殊,不同于一般离心泵,造型方法尚有待探讨。在Pro/ENGINEER中进行双流道叶轮三维造型的方法如下:用投影方法生成空间流道中线,并作为内流道的原始轨迹,各断面形状作为混合用截面,使用扫描混合命令形成内流道;按内流道中线规律,延长内流道中线到叶轮外径,用投影得到的空间曲线作为外流道原始轨迹,按外流道截线位置放置适当截面,由扫描混合命令形成外流道。叶轮在二维绘型图转化为三维造型时,可能会出现无法形成有效内流道的问题,本文分析了其中的原因,并给出了调整措施。3.研究了在Pro/E中直接进行叶轮的三维设计方法。4.双流道叶轮设计中,平面流道中线普遍使用变异阿基米德螺线。推导了平面流道中线采用变异阿基米德螺线时,流道中线出口角与包角、变异系数之间的关系式,为设计中控制流道中线出口角提供了依据,解决了传统设计法中采用变异阿基米德螺线作为平面流道中线时,无法事先确定流道中线出口角的难题。5.推导了变异阿基米德螺线法线方向到叶轮外圆距离的变化规律,在此基础上给出了确定内流道出口点的解析方法。6.使用所提出的叶轮三维设计方法,编写了基于Pro/E二次开发的双流道污水泵叶轮三维参数化设计程序。用户可直接输入参数得到叶轮流道的三维造型,为叶轮的CFD数值模拟和NC（Numerical Control简称数控）制造提供了基础。在造型前可预览轴面图和平面图,初步筛选设计方案;在外流道造型前,可检查有效内流道是否形成,并提供了修改模块以改善内流道造型。该程序还可交互地修改截面积变化规律曲线以及外流道壁厚规律,能够灵活地控制叶轮流道造型。并采用该程序设计了双流道污水泵叶轮QW950-15-55。7.基于有限体积法,采用SIMPLEC算法及标准κ-ε两方程湍流模型,对双流道污水泵QW950-15-55的主要过流部件内部流场,作了全通道定常流动数值模拟。模拟了包括设计工况在内的11个工况,捕捉到双流道叶轮及蜗壳内部流动的一些典型特征,重现了一些重要的流动现象,提出了进一步改进的办法。8.由山东双轮集团股份有限公司制造的样机,经过试验测定,额定效率达到85.33%,而目前国产泵的各种叶轮形式的污水泵,排出口径为300mm的,效率在74%～83%之间。9.数值模拟得到的预测特性与样机试验结果比较表明,两者吻合较好,说明CFD计算结果是可靠的,可作为进一步完善设计提高性能的依据。

论文目录

  • 目录
  • 摘要
  • Abstract
  • 插图索引
  • 附表索引
  • 第1章 绪论
  • 1.1 本课题来源和研究的意义
  • 1.1.1 课题来源
  • 1.1.2 研究的背景、目的和意义
  • 1.1.3 推广应用前景
  • 1.2 双流道污水泵的研究现状
  • 1.2.1 污水泵叶轮结构型式
  • 1.2.2 国内外双流道式污水泵的研究现状
  • 1.2.3 双流道污水泵水力设计方法的研究现状
  • 1.模型换算法
  • 2.速度系数法
  • 3.三元设计理论
  • 1.2.4 泵内流场计算的研究现状
  • 1.求解泵内无粘流动的主要方法
  • 2.求解泵内湍流流动的主要方法
  • 1.2.5 双流道泵计算机辅助设计发展现状
  • 1.3 本课题研究的主要内容、技术路线及需解决的技术关键
  • 1.3.1 研究的指导思想
  • 1.3.2 主要研究内容、技术路线及拟解决的技术关键与难点
  • 第2章 双流道污水泵叶轮的绘型及三维造型方法研究
  • 2.1 叶轮绘型方式探讨
  • 2.1.1 通用的双流道叶轮视图投影作法
  • 2.1.2 视图中投影关系不一致的地方
  • 2.1.3 投影不一致原因探讨
  • 2.3 双流道式泵叶轮在Pro/E中的三维造型
  • 2.3.1 Pro/E软件简介
  • 2.3.2 双流道叶轮造型分析
  • 2.3.3 在Pro/E中叶轮的造型过程
  • 2.4 本章小结
  • 第3章 双流道污水泵叶轮三维水力设计方法研究
  • 3.1 双流道叶轮的几何参数及轴面图的数学模型
  • 3.1.1 叶轮轴面图几何参数
  • 3.1.2 叶轮轴面图主要几何参数的确定方法
  • 3.1.3 叶轮轴面图的数学模型
  • 3.2 双流道泵叶轮流道中线的特性研究
  • 3.2.1 叶轮平面图的流道中线
  • 3.2.2 流道出口点的确定
  • 3.3 双流道污水泵叶轮三维设计方法
  • 3.3.1 Pro/E中的双流道叶轮三维设计
  • 3.4 本章小结
  • 第4章 基于Pro/E二次开发的双流道泵叶轮的三维参数化设计
  • 4.1 Pro/E二次开发技术
  • 4.1.1 参数化设计的基本原理
  • 4.1.2 Pro/E参数化设计的特性
  • 4.1.3 Pro/E的二次开发工具
  • 4.1.4 Pro/TOOLKIT二次开发技术
  • 4.1.5 Pro/Program二次开发技术
  • 4.2 MATLAB与VC++混合编程技术
  • 4.2.1 VC++与MATLAB混合编程方法
  • 4.3 双流道泵叶轮三维参数化设计程序
  • 4.3.1 基于Pro/E的双流道泵叶轮CAD程序的特点
  • 4.3.2 双流道泵叶轮CAD程序所采用的技术
  • 4.3.3 技术关键
  • 4.3.4 程序流图及程序结构
  • 4.4 水力模型设计实例QW300QW950-15-5
  • 4.4.1 设计工况及参数范围
  • 4.4.2 三种设计方案
  • 4.5 本章小结
  • 第5章 双流道泵叶轮与蜗壳耦合三维湍流数值模拟
  • 5.1 水力机械内部流动计算方法综述
  • 5.1.1 水力机械内部流动计算方法
  • 5.1.2 描述水力机械内部流动的基本方程
  • 5.1.3 控制方程的离散
  • 5.2 三维不可压N-S方程的数值解法
  • 5.3 湍流的数值模拟方法和湍流模型
  • 5.3.1 湍流的数值模拟方法
  • 5.3.2 湍流模型
  • 5.4 双流道泵叶轮与蜗壳耦合三维湍流数值模拟
  • 5.4.1 计算区域及网格划分
  • 5.4.2 边界条件
  • 5.5 计算结果及分析——叶轮
  • 5.5.1 叶轮内压力分布
  • 5.5.2 叶轮内相对速度分布
  • 5.5.3 轴向旋涡
  • 5.5.4 周向及轴向压力速度分布
  • 5.5.5 叶轮改进措施
  • 5.6 计算结果及分析——蜗壳
  • 5.6.1 蜗壳对称面上的压力速度分布
  • 5.6.2 蜗壳各断面上的压力速度分布
  • 5.6.3 蜗壳的改进措施
  • 5.7 全流场计算结果分析
  • 5.7.1 压力速度分布
  • 5.8 预测值与试验对比
  • 5.8.1 预测性能与试验的对比
  • 5.9 本章小结
  • 第6章 结论
  • 6.1 结论
  • 6.1.1 结论
  • 6.1.2 创新点
  • 6.2 展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 附录A 攻读学位期间发表的论文
  • 附录B 双流道叶轮流道设计程序主要源代码

    • 相关论文文献

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