基于CFD技术改善离心泵内部空化性能的研究

论文摘要

由于离心泵在实际运行的过程中,空化会降低泵的扬程和效率;空蚀将对离心泵造成极大的破坏并产生噪音和振动。所以空化与空蚀破坏是引起离心泵故障的主要原因之一,如何提高离心泵的空化性能是流体机械研究领域的一个重要的研究方向。近年来,随着CFD技术的快速发展,从研究离心泵内部流体流动的机理出发,使用数值模拟研究离心泵内部空化流动,利用数值模拟预测的结果来指导改善离心泵内部的空化性能已经成为可能。因此,数值模拟方法已经成为离心泵性能分析、优化设计的一个重要的手段。本文以CFD技术为基础,应用商业软件FLUENT中的RNG k-ε两方程模型和SIMPLEC算法,采用了Singhal等人发展的一种三维混合流体完整空化湍流模型,对离心泵内部的全流道三维空化流动进行定常数值模拟研究,分析了在同一设计工况下原型离心泵叶轮和3种不同进口参数的叶轮在内部流场的压力、速度、空泡体积分数分布和离心泵整机性能发生的变化,这对离心泵改善其空化性能、优化设计、节能降耗有着重要的意义。得到以下主要结论:1.为了验证数值模拟计算结果的准确性,先对原型离心泵进行了非空化流动和空化流动的数值模拟,通过把数值模拟结果和试验结果相对比,结果表明预测曲线与试验曲线趋势基本一致,预测值与试验值在设计工况下结果比较吻合,这为下面的工作打下了基础。2.对原型离心泵全流道内的空化流场进行模拟得到了空化现象主要发生在叶轮内部,而在吸入段和蜗壳段均没有明显的空化现象发生,说明叶轮对泵的空化性能具有重要的影响。从原型离心泵空化余量一扬程曲线中,发现试验值和数值模拟预测值计算结果比较吻合,误差在5%范围内,曲线变化趋势基本一致,说明所选的空化模型能够准确预测离心泵的空化性能,这也说明数值模拟预测可以代替复杂而又麻烦的离心泵空化试验。3.通过改变叶轮进口尺寸,得出叶轮进口直径有一最佳值为155mm,这最佳值的存在对于离心泵的效率的提高和空化余量的降低有着重要的意义。4.增加叶片的进口安放角,即采用较大的正冲角,使进口的冲角为5°,叶片进口安放角增加到24°,离心泵空化性能得到明显改善。5.对于高比转速离心泵,叶片进口边流道宽度的增加,空化性能改变不是很明显。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 离心泵内部流动的研究进展
• 1.2.1 理论分析研究
• 1.2.2 实验研究
• 1.2.3 数值模拟研究
• 1.3 空化空蚀的研究进展
• 1.3.1 空化空蚀理论研究
• 1.3.2 离心泵内部空化空蚀数值模拟研究
• 1.4 课题研究的主要内容及实现方法
• 1.5 本章小结
• 第2章 离心泵的空化与空蚀
• 2.1 离心泵产生空化与空蚀现象及危害
• 2.1.1 空化与空蚀现象
• 2.1.2 空化数
• 2.1.3 空化与空蚀的危害
• 2.2 离心泵的空化参数
• 2.2.1 吸上真空度
• 2.2.2 有效空化余量
• 2.2.3 必需空化余量
• 2.3 离心泵空化与空蚀的防护
• 2.4 改善离心泵空化与空蚀性能的措施
• 2.5 本章小结
• 第3章 数值计算理论与方法
• 3.1 数值模拟基本概念及相关理论
• 3.2 流动基本方程
• 3.3 控制方程的离散化
• 3.4 湍流模型
• 3.4.1 标准κ-ε模型
• 3.4.2 RNG κ-ε模型
• 3.4.3 Realizable κ-ε模型
• 3.5 通用多相流模型
• 3.6 空泡动力学模型
• 3.6.1 空泡静力平衡条件
• 3.6.2 空泡运动方程
• 3.6.3 空化模型
• 3.7 近壁区域的处理
• 3.8 FLUENT软件介绍
• 3.9 压力修正算法
• 3.10 本章小结
• 第4章 计算模型的建立与网格划分
• 4.1 建模实例
• 4.2 离心泵内部流道的三维实体建模
• 4.2.1 Pro/Engineer软件简介
• 4.2.2 叶轮流道模型的建立
• 4.2.3 蜗壳实体模型的建立
• 4.3 离心泵流道实体模型的网格划分
• 4.3.1 网格相关问题的概述
• 4.3.2 网格划分软件GAMBIT介绍
• 4.3.3 网格的划分过程
• 4.3.4 网格对计算解的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 数值预测与计算结果分析
• 5.1 离心泵内部流场计算模型的选择
• 5.1.1 网格检查
• 5.1.2 设置数值计算方法
• 5.1.3 设置边界条件
• 5.1.4 设置收敛判据
• 5.2 原型离心泵数值模拟和预测分析
• 5.2.1 非空化流动的计算结果分析
• 5.2.2 空化流动的计算结果分析
• 5.2.3 空化流动的性能预测
• 5.3 叶轮参数对离心泵空化性能的影响
• 5.3.1 叶轮进口尺寸对空化性能的影响
• 5.3.2 叶片进口安放角对空化性能的影响
• 5.3.3 叶片进口边的流道宽度对空化性能的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录