高速诱导轮离心泵的理论分析与数值模拟

论文摘要

汽蚀破坏是引起离心泵故障的主要原因之一，如何提高离心泵的汽蚀性能是流体机械研究领域的一个重要研究方向。另外，叶轮机械主要的能量转换是在叶轮中完成的，因此了解液流在叶轮内部的流动机理，对设计高效率的叶轮及离心泵的节能降耗有着重要的意义。本论文主要针对上面的问题进行了研究。 论文的主要内容如下： 第一章：介绍了提高离心泵汽蚀性能的措施及诱导轮研究的现状；概述了离心泵内部流动的研究进展及商用的CFD软件的发展及应用；在此基础上提出了本文的主要研究内容。 第二章：介绍了本文计算所采用的数值方法：给出了相对坐标系下三维N-S控制方程组的通量形式及S-A湍流模型；介绍了控制方程的空间离散和时间离散及时间项的四阶龙格库塔迭代法；介绍了计算加速方法，包括隐式残差光顺和全多重网格方法；并给出了收敛标准。 第三章：对诱导轮的汽蚀性能进行了分析，给出了单个及串联诱导轮的设计方法；基于雷诺时均Navier-Stoks方程和Spalart-Amaras湍流模型对所设计的单个及串联诱导轮进行了数值模拟计算，分析了单个及串联诱导轮内部的流动情况；并进行了试验研究。 第四章：提出采用引射器提高离心泵的汽蚀性能，对引射的理论进行了分析，并设计了引射器，对具有前置引射器的两台开式叶轮离心泵进行了实验研究，在不同引回流量的情况下进行了汽蚀实验研究。 第五章：给出了复合叶轮的设计方法，分析了离心叶轮内部的流动机理；对4个闭式的不同中短叶片数的低比转速复合叶轮进行了数值模拟和实验研究，分析了叶轮内部的相对速度场及压力场，揭示了不同中短叶片数对叶轮内部流动的影响；并对不同间隙的4长叶片及4长4中叶片的半开式复合叶轮进行了数值模拟，分析了间隙对于内部流动的影响。 第六章：对长、中、短相间的复合叶轮离心泵进行了数值模拟计算，分析了叶轮和蜗壳内部的流动情况，揭示了蜗壳对于叶轮内部流动的影响机理。 第七章：概括性地总结了本论文各章所得出的若干结论，并对目前存在的问题及今后的工作提出了具有指导意义的建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源与意义
• 1.2 提高离心泵汽蚀性能的研究状况
• 1.2.1 泵内汽蚀现象的形成和危害
• 1.2.2 提高离心泵汽蚀性能的措施
• 1.2.3 诱导轮的研究状况
• 1.3 离心泵内部流动的研究进展
• 1.3.1 叶轮内部流动的理论与试验研究
• 1.3.2 离心泵内部流动的数值模拟的发展及现状
• 1.4 商用计算流体力学软件的应用
• 1.5 本文的研究内容
• 第二章 数值计算方法
• 2.1 控制方程组
• 2.2 Sparart-Allmaras湍流模型
• 2.3 空间离散方法
• 2.3.1 离散方程
• 2.3.2 粘性通量离散
• 2.3.3 无粘通量离散
• 2.4 时间离散格式
• 2.5 隐式残差光顺
• 2.6 多重网格方法
• 2.6.1 网格层数的确定
• 2.6.2 全多重网格处理方法
• 2.7 收敛判据
• 2.8 本章小结
• 第三章 诱导轮的汽蚀特性和数值模拟研究
• 3.1 诱导轮的汽蚀特性和设计分析
• 3.1.1 诱导轮的汽蚀性能
• 3.1.2 诱导轮与离心轮的能量匹配
• 3.1.3 串联诱导轮的能量匹配
• 3.1.4 等螺距诱导轮的扬程
• 3.1.5 等螺距诱导轮的设计
• 3.1.6 串联诱导轮的设计
• 3.2 诱导轮的数值模拟研究
• 3.2.1 几何模型
• 3.2.2 边界条件
• 3.2.3 计算网格
• 3.2.4 单个诱导轮数值模拟结果和分析
• 3.2.5 串联诱导轮数值模拟结果和分析
• 3.3 高速诱导轮复合叶轮离心泵试验研究
• 3.3.1 实验装置
• 3.3.2 离心泵的设计参数
• 3.3.3 试验结果和分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 引射离心泵的理论特性与实验研究
• 4.1 引射器原理
• 4.2 试验条件
• 4.3 试验结果和分析
• 4.3.1 泵 A的性能
• 4.3.2 加引射器后泵 A的试验结果和分析
• 4.3.3 泵B的性能
• 4.3.4 加引射器后泵 B的试验结果和分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 复合离心叶轮的设计及内部流动的数值模拟研究
• 5.1 复合叶轮的设计原理与设计方法
• 5.1.1 复合叶轮的设计原理
• 5.1.2 叶片数确定
• 5.1.3 复合叶轮的设计方法
• 5.2 离心叶轮内部流动的机理
• 5.2.1 旋转对流动的影响
• 5.2.2 流线曲率对流动的影响
• 5.2.3 旋转与流线曲率对流动的综合效应
• 5.2.4 离心叶轮流道中的二次流
• 5.3 闭式叶轮内部流动的数值模拟
• 5.3.1 叶轮的主要设计和几何参数
• 5.3.2 几何模型
• 5.3.3 计算网格和边界条件
• 5.3.4 闭式叶轮数值模拟和试验结果分析
• 5.3.5 闭式叶轮离心泵的实验研究与分析
• 5.4 半开式叶轮的数值模拟
• 5.4.1 几何模型
• 5.4.2 计算网格
• 5.4.3 数值模拟的结果和分析
• 5.4.4 半开式叶轮离心泵试验结果和分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 具有长中短叶片的复合叶轮离心泵内部流动的数值模拟
• 6.1 计算网格和边界条件
• 6.1.1 计算区域和网格
• 6.1.2 边界条件
• 6.2 单通道叶轮计算的数值模拟结果分析
• 6.3 整机计算的数值模拟结果分析
• 6.3.1 叶轮内部流动分析
• 6.3.2 蜗壳内部流动的分析
• 6.4 数值模拟和试验结果的性能对比
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 研究总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢