基于两相流的多级离心泵汽蚀性能分析

论文摘要

多级离心泵在运转过程中,有时会出现水力机械特有的汽蚀现象。汽蚀现象改变了流道内的速度分布,使离心泵的效率下降、扬程降低,引起机器振动,同时也会使叶轮遭受破坏,严重影响工作性能,并妨碍其正常运行。所以如何准确地预测泵的汽蚀性能,防止汽蚀的发生是一个重要的研究方向。由于汽蚀现象本身的复杂性以及测量的困难性,要对汽蚀现象准确的定量分析还很难。随着计算流体动力学（CFD）技术在水力机械内部流场计算中应用日益广泛,CFD成为优化设计的重要工具。所以使用数值模拟研究多级离心泵内部的汽蚀流动,预测泵的汽蚀性能,对汽蚀现象进行准确地定量分析已经成为可能。本文利用CFX软件的RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,采用Rayleigh-Plesset汽蚀模型对多级离心泵的首级叶轮进行了汽蚀模拟。分析了压力场和速度场,得到了不同压力、不同流量下的气泡分布和速度矢量分布。还对9个流量工况下的叶轮进行了完整的汽蚀模拟计算,从汽蚀未发生、汽蚀初生到汽蚀发展,找到了临界汽蚀余量点,得到了NPSH-Q曲线,并和实验曲线进行了比对。本文得到的结论如下：1、为了验证模拟软件和模型的准确性,先对多级离心泵的两级叶轮和导叶进行无汽蚀模型的单相流动数值模拟,把模拟结果和实验结果进行了对比,模拟曲线和实验曲线的趋势一致,误差较小,证明了模拟的有效性和可行性。从模拟结果发现泵压力最低的地方在多级离心泵首级叶轮叶片进口处,为下面的工作打下了基础。2、对多级离心泵的首级叶轮进行了汽蚀模拟。得到了压力分布图和速度矢量分布图,知道了汽蚀初生的位置在叶片背面进口稍后处。调节出口压力和流量,得到了汽蚀随压力和流量变化图。利用模拟计算可以观察到汽蚀初生,找到汽蚀初生点,这对防止离心泵的汽蚀有重要的意义。3、对9个流量工况下的叶轮进行了汽蚀模拟,找到临界汽蚀余量得到NPSH-Q曲线并与实验曲线进行对比,两条曲线的趋势基本一致,在大流量工况下误差较大,在小流量工况,特别是额定工况下模拟结果和实验结果较为接近。说明该模拟方法可以准确预测离心泵的汽蚀性能,也说明数值模拟预测可以代替繁琐而又复杂的泵汽蚀实验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 汽蚀的研究现状
• 1.2.1 汽蚀发生机理
• 1.2.2 汽蚀破坏机理
• 1.3 汽蚀模拟研究进展
• 1.4 课题研究的主要内容及实现方法
• 1.5 本章小结
• 第二章 多级离心泵的汽蚀
• 2.1 多级离心泵汽蚀现象
• 2.2 汽蚀破坏类型和危害
• 2.2.1 汽蚀的破坏类型
• 2.2.2 汽蚀的危害
• 2.3 离心泵的汽蚀参数
• 2.4 离心泵汽蚀的防护
• 2.5 改善离心泵汽蚀性能的措施
• 2.6 本章小结
• 第三章 多级离心泵的数值模拟解法
• 3.1 计算流体力学及CFX简介
• 3.2 基本控制方程
• 3.3 控制方程离散化
• 3.4 湍流模型
• 3.4.1 标准κ-ε模型
• 3.4.2 RNGκ-ε模型
• 3.4.3 Realizableκ-ε模型
• 3.5 两相汽蚀流动控制方程
• 3.6 Rayleigh-plesset模型
• 3.7 压力修正算法
• 3.8 本章小结
• 第四章 多级离心泵计算模型的建立及网格划分
• 4.1 建模实例
• 4.1.1 叶轮内流体的三维实体造型
• 4.1.2 导叶内流体的三维实体造型
• 4.1.3 冲压式多级泵整体模型的造型
• 4.2 多级离心泵内流体模型的网格划分
• 4.2.1 ICEM-CFD
• 4.2.2 结构化和非结构化网格
• 4.2.3 计算模型的网格划分
• 4.3 本章小结
• 第五章 汽蚀模拟计算与结果分析
• 5.1 边界条件、求解方法与收敛判据
• 5.1.1 边界条件的设置
• 5.1.2 求解方法
• 5.1.3 收敛判据
• 5.2 多级离心泵非汽蚀单相流动模拟和结果分析
• 5.2.1 模拟结果分析
• 5.2.2 模拟结果和实验结果对比
• 5.3 多级离心泵汽蚀流动数值模拟
• 5.3.2 汽蚀模拟压力、速度分布
• 5.3.3 汽蚀模拟气泡分布
• 5.3.4 压力对汽蚀的影响
• 5.3.5 流量对汽蚀的影响
• 5.4 多级离心泵必需汽蚀余量的预测与实验验证
• 5.4.1 汽蚀余量的测量方法
• 5.4.2 多级离心泵必需汽蚀余量的计算
• 5.4.3 模拟软件参数研究
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢
• 附件