低比转速离心泵圆盘损失计算的探讨及内部流动特征的数值分析

论文摘要

近几年来，随着计算机硬件水平的不断提高，CFD技术在泵的计算及优化设计中得到了广泛的应用，但是对于低比转速离心泵而言，如果计算域不包含泵的前后泵腔和密封口环间隙，则忽略了圆盘摩擦损失而使计算结果误差较大，使得CFD技术无法准确预测其性能。本文以一台低比转速的离心泵作为研究对象，建立了两种计算域模型，一种由叶轮通道和涡室组成，另一种由叶轮通道、涡室、前后泵腔和密封口环组成，使用CFD计算方法计算了两种计算域在0.2Qopt、0.3Qopt、0.5Qopt、0.7Qopt、Qopt、1.1Qopt、1.2Qopt七个工况值，通过数值计算与试验之间的对比表明，当计算域包含前后泵腔和口环间隙时，预测的性能曲线与试验曲线吻合较好；当计算域不包含前后泵腔和口环时，预测的轴功率和效率曲线与试验曲线吻合较差。经分析研究发现，对于低比转速离心泵而言，可以使用圆盘摩擦损失公式对全流场计算域的轴功率和效率进行修正。通过与广泛使用的圆盘摩擦损失公式相比，分别计算泵的前后腔体的圆盘摩擦损失和口环泄漏量推导得到的圆盘摩擦损失公式，能更准确的预测圆盘摩擦损失值。文中使用RNG k-ε模型和LES方法对低比转速离心泵进行了全流道整机非定常数值模拟，发现LES方法能较准确的预测低比转速离心泵轴功率和效率曲线，但是当流量小于设计流量时，两种数值模拟方法预测的扬程预测值比试验值小且误差都较大；通过比较叶轮通道进出口速度图，发现具体某一点的瞬态速度值两模型计算结果相差较大，研究发现靠近隔舌部位的叶轮出口处液体流动较紊乱而且压力脉动比较明显；大涡模拟方法不仅可以预测出脉动和冲击、漩涡等现象，还能较准确的捕捉叶片附近液体流动的连续性；讨论了网格数对LES模型的计算结果影响，结果表明：网格划分的越密，叶轮流道和蜗壳内分离涡越明显，而且流动状态越符合实际情况，隔舌点处的压力脉动的幅值变化越大，可以认为小网格数要比大网格数缺失很多信息。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 数值模拟的研究现状
• 1.2.2 圆盘摩擦损失的研究现状
• 1.2.3 离心泵性能预测的研究现状
• 1.2.4 离心泵口环间隙的研究现状
• 1.3 本文所采用的研究工具
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 离心泵的数值模拟方法
• 2.1 旋转坐标系中的流动控制方程[1]
• 2.2 湍流模型
• 2.2.1 RNG k-ε模型
• 2.3 大涡模拟
• 2.4 离散方法
• 2.5 边界条件
• 2.6 收敛精度的选择
• 2.7 计算网格的划分
• 2.8 本章小结
• 第3章 离心泵不同计算域的定常数值模拟
• 3.1 模型参数及实验数据
• 3.2 计算域的实体造型
• 3.3 计算结果分析
• 3.3.1 残差曲线
• 3.3.2 性能预测
• 3.4 计算结果分析
• 3.5 压力及速度分布
• 3.6 本章小结
• 第4章 圆盘摩擦损失的探讨及性能预测
• 4.1 轴功率的预测
• 4.1.1 圆盘摩擦损失功率的计算
• 4.1.1.1 现有圆盘摩擦损失公式
• 4.1.1.2 公式的改进
• 4.1.1.3 两种公式的比较
• 4.2 效率的预测
• 4.2.1 现有效率的预测公式
• 4.2.2 考虑圆盘摩擦损失的效率公式
• 4.2.3 计算结果对比
• 4.3 容积效率与流量的关系
• 4.3.1 泄漏量的理论计算
• 4.3.2 间隙泄露量计算结果
• 4.3.3 容积效率的计算结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 离心泵全流场非定常模拟
• 5.1 两种数值模拟方法的比较
• 5.1.1 周期的计算
• 5.1.2 残差曲线
• 5.1.3 性能预测结果
• 5.1.4 设计工况点流场分析
• 5.1.4.1 中心截面流线分布
• 5.1.4.2 中心截面静压分布
• 5.1.4.3 速度分布图
• 5.2 设计工况下叶轮通道进出口部位流动特征的研究
• 5.2.1 叶轮通道进口部位的流动特征
• 5.2.2 叶轮通道出口部位的流动特征
• 5.3 大涡模拟方法的计算与分析
• 5.3.1 网格数对计算结果的影响
• 5.3.2 设计工况下湍动能分布
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文