长短叶片离心泵三维湍流数值模拟与PIV测试研究

论文摘要

低比转数离心泵在石油化工、航空航天等领域有广泛的应用,其特点是扬程高、流量小。按传统设计方法,低比转速离心泵常会出现效率低、扬程-流量曲线易出现驼峰、大流量易过载等问题。长短叶片是解决上述问题有效途径之一。本文采用数值计算与PIV相结合的研究方法,对分流短叶片的不同偏置位置、设计工况与非设计工况等情况下的离心泵内部真实流动特性进行了较为深入的研究,初步分析得出长短叶片离心泵叶轮内的三维湍流流动规律。研究的具体内容包括:1、为研究分流短叶片偏置对离心泵叶轮内部流场的影响,采用加大流量与速度系数相结合的方法设计了3副长短叶片离心泵叶轮。3副叶轮的长叶片骨线线型为单圆弧圆柱型,每副叶轮的长叶片型线相同。短叶片与长叶片间隔布置,其骨线线型为单圆弧圆柱型,每只短叶片进口均位于同一圆周上,且出口角与长叶片出口角相等。在偏置上,短叶片均适当向长叶片的吸力面偏置,短叶片进口偏置角和短叶片出口偏置角分别取0°、5°和10°三种水平组合。2、采用Pro/E对矩形蜗壳进行三维造型;利用AutoCAD与Gambit相结合的方法对长短离心叶轮进行三维实体造型;基于结构化网格对蜗壳与叶轮分别进行剖分。3、基于整机数值模拟,对3副长短叶片的离心泵进行了三维湍流数值模拟研究。计算中,首先将笛卡尔坐标系下的N-S方程转化为任意曲线坐标系下的控制方程,并进行有限体积离散;采用了标准的k ?ε湍流模型进行方程封闭;近壁面湍流处理采用了标准壁面函数法;应用SIMPLEC算法,建立压力和速度迭代校正方程使动量方程和连续性方程耦合;采用了多重参考坐标系处理旋转叶轮与蜗壳动静耦合交界面。湍流数值计算得出了分流短叶片的不同偏置位置、设计工况与非设计工况下离心泵叶轮内的压力分布、速度分布,并预测了泵的外特性参数。对比分析了3副长短叶片叶轮的速度场和压力场的特征,初步得出了长短叶片离心泵叶轮内湍流的速度和压力分布规律,提出了短叶片合理偏置方案。4、应用现代激光测试技术（粒子图像速度仪2D-PIV）对3副长短叶片离心泵叶轮的一个叶槽在设计工况、大流量和小流量工况下的内流场进行测量研究,测得粒子散点图,分析得到了叶轮内相对速度矢量图以及出口处相对速度、切向速度和径向速度在出口处沿弧长的变化规律。对比分析了数值模拟结果和PIV测试结果表明,计算和实验结果总体趋势基本吻合,但数值上仍存在一定的偏离,文中分析了实验与计算结果存在差别的原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 长短叶片离心泵的研究现状
• 1.2.1 长短叶片离心泵外特性试验研究
• 1.2.2 长短叶片离心泵设计方法与理论
• 1.3 流动测试技术及其在离心泵研究中的应用
• 1.3.1 流动测试技术
• 1.3.2 离心泵内部流场测试
• 1.4 离心泵内流场数值模拟的研究现状
• 1.5 本文主要内容
• 第2章 离心泵三维湍流数值模拟方法
• 2.1 控制方程组
• 2.1.1 湍流时均纳维-斯托克斯方程
• 2.1.2 湍流模型
• 2.1.3 直角坐标系下控制方程组
• 2.1.4 任意三维曲线坐标系下控制方程组
• 2.2 贴体坐标变换与网格生成
• 2.3 交错网格及控制方程组的离散
• 2.4 压力修正法
• 2.5 叶轮与蜗壳动静耦合交界面的处理
• 2.6 壁面函数法
• 第3章 长短叶片离心泵设计、造型与网格生成
• 3.1 普通离心泵的设计方法
• 3.2 长短叶片离心泵的设计
• 3.2.1 离心叶轮内流场分析
• 3.2.2 离心叶轮设计
• 3.3 长短叶片离心泵三维实体造型
• 3.3.1 Pro/E 造型软件简介
• 3.3.2 离心泵的三维造型
• 3.4 网格技术
• 3.4.1 数值网格的发展
• 3.4.2 网格分块拼接
• 3.4.3 网格质量
• 3.5 长短叶片离心泵网格剖分
• 第4章 长短叶片离心泵三维湍流数值模拟
• 4.1 控制方程
• 4.1.1 连续性方程与雷诺时均方程
• 4.1.2 湍流模型
• 4.2 边界条件
• 4.2.1 进口边界条件
• 4.2.2 出口边界条件
• 4.2.3 固壁边界条件
• 4.2.4 动静耦合交界面处理
• 4.3 求解方法与离散格式选择
• 4.4 收敛精度的选择
• 4.5 数值计算方案
• 4.6 数值模拟结果分析
• 4.6.1 叶轮内相对速度
• 4.6.2 绝对速度矢量与流线
• 4.6.3 静压强分布
• 4.6.4 短叶片进、出口处的参数沿圆周的分布
• 第5章 长短叶片离心泵内流场PIV 测试研究
• 5.1 PIV 原理及其测试系统
• 5.1.1 PIV 基本原理
• 5.1.2 PIV 系统
• 5.2 试验装置
• 5.2.1 试验装置与附件
• 5.2.2 测试系统
• 5.2.3 试验方法
• 5.2.4 试验步骤
• 5.3 试验方案
• 5.4 试验结果与分析
• 5.4.1 外特性试验结果与分析
• 5.4.2 PIV 试验结果与分析
• 5.5 试验研究与数值模拟的比较
• 5.5.1 外特性比较
• 5.5.2 流场比较
• 5.5.3 出口流速比较
• 第6章 全文总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文