离心泵内流场三维湍流数值模拟与PIV测试研究

论文摘要

由于采用长短叶片相间设计的复合式叶轮能够避免叶片进口排挤、有效阻止涡流及脱流的产生和发展及改善叶轮流道的扩散状况,使其具有流量小、扬程高、高效、小流量稳定等性能指标,同时具有结构紧凑、维修方便等特点。目前,具有长短叶片的复合式叶轮已广泛应用于石化、轻工及航空航天等领域。不同的短叶片设置方案对离心泵性能有不同的影响,故有必要从离心叶轮内特性出发来研究分析短叶片不同设置方案对泵外特性的影响。本文采用三维湍流数值模拟方法对三种不同短叶片设置方案的叶轮内流场进行研究,同时利用粒子图像速度仪（PIV）测试了其中两副叶轮的内流场,分析得出了长短叶片离心叶轮内部流动参数的分布规律；本文最后在前人研究的基础上,设计了三副低比转速高速离心泵,利用ANSYS CFX软件计算了其全流道的三维定常湍流流动；研究结果对长短叶片离心叶轮的进一步优化设计有一定的参考价值。本文的主要工作有：1、结合AutoCAD与Pro/ENGINEER软件对叶轮及蜗壳进行三维实体造型,采用ICEM-CFD软件对叶轮及蜗壳进行结构化网格剖分；2、基于雷诺时均Navier-Stockes方程和标准k-ε双方程湍流模型,利用CFD软件（ANSYS CFX11.0）对三副长短叶片离心叶轮在七种不同流量工况进行全流道定常数值模拟,捕捉了叶轮内部相对速度、静压等重要流动参数的分布规律,并进行对比分析；3、应用粒子图像速度仪（PIV）对2副长短叶片离心叶轮的同一个叶槽在五种流量工况下的内流场进行测试研究,分析得到了叶轮中间断面的相对速度矢量图和等值线图,并对比分析不同叶轮内部相对速度分布状况；4、对比分析了数值模拟结果和PIV测试结果,分析了两者之间存在差异的原因；5、介绍了低比转速高速离心泵的设计理论,设计了三副短叶片起始直径不同的复合叶轮及蜗壳,采用非结构化网格对高速离心泵进行整机网格剖分,数值模拟计算了五种流量工况下的内流场,对比分析了叶轮内部的静压场及相对速度场,分析了短叶片起始直径不同对内部流动的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究目的和意义
• 1.2 长短叶片离心泵的研究现状
• 1.2.1 长短叶片复合叶轮的设计方法与理论
• 1.2.2 长短叶片离心泵外特性试验研究
• 1.2.3 内流场测试研究现状
• 1.2.4 内流场数值模拟研究现状
• 1.3 长短叶片离心泵研究趋势
• 1.4 主要研究工作
• 第2章 离心泵内流场三维湍流数值模拟方法
• 2.1 CFD的概述
• 2.2 流动控制方程
• 2.2.1 连续性方程
• 2.2.2 动量方程（Navier-Stokes方程）
• 2.2.3 能量方程
• 2.3 标准k-ε湍流模型
• 2.4 流场数值计算方法中的耦合式解法
• 2.5 蜗壳及进水管与叶轮的动静耦合交界面处理
• 2.6 壁面函数法
• 2.7 ANSYS CFX软件简介
• 第3章 长短叶片离心泵模型的建立及其网格划分
• 3.1 短叶片偏置方案
• 3.2 计算模型的简化
• 3.3 计算模型的建立
• 3.3.1 进水管造型
• 3.3.2 离心叶轮造型
• 3.3.3 蜗壳造型
• 3.4 三维实体网格划分
• 3.4.1 网格划分的基本要求
• 3.4.2 网格的分类
• 3.4.3 网格划分软件——ICEM-CFD
• 3.4.4 计算模型的结构化网格划分
• 第4章 长短叶片离心泵三维湍流数值模拟
• 4.1 数值计算方案
• 4.2 计算参数的设置
• 4.2.1 模拟类型的定义
• 4.2.2 静止域及旋转域的设置
• 4.2.3 边界条件的设置
• 4.2.4 交界面的建立
• 4.2.5 求解参数的设置
• 4.3 计算求解
• 4.4 网格无关性验证
• 4.5 数值模拟计算结果分析
• 4.5.1 叶轮中间截面相对速度
• 4.5.2 叶轮中间截面与轴面静压分布
• 4.5.3 长短叶片表面静压分布
• 4.5.4 长叶片进口参数分布
• 4.5.5 短叶片进口参数分布
• 4.5.6 叶轮出口参数分布
• 4.5.7 扬程与水力效率预测
• 第5章 长短叶片离心泵内外特性试验研究
• 5.1 试验装置与测试系统
• 5.2 试验步骤
• 5.3 外特性参数测试方法与结果
• 5.3.1 扬程与效率实测值
• 5.3.2 数值模拟计算值与实测值对比
• 5.4 内特性的PIV测试研究
• 5.4.1 PIV工作原理
• 5.4.2 PIV测试系统
• 5.4.3 示踪粒子的选择
• 5.4.4 PIV测试结果与分析
• 5.4.5 PIV测试与数值模拟计算的流场对比
• 第6章 低比转速高速离心泵的设计研究
• 6.1 复合叶轮的设计原理与设计计算
• 6.1.1 设计原理
• 6.1.2 主要参数的设计计算
• 6.2 复合叶轮的设计参数及主要几何尺寸
• 6.2.1 设计参数
• 6.2.2 主要几何尺寸
• 6.3 蜗壳的设计原理与设计计算
• 6.4 计算域网格
• 6.5 计算结果及分析
• 6.5.1 中间断面静压分布对比分析
• 6.5.2 中间断面相对速度分布及流线对比分析
• 6.5.3 外特性对比分析
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文