离心泵内部流动PIV测试研究与三维数值模拟

论文摘要

近年来,粒子图像测速技术(PIV,Particle Image Velocimetry)发展比较迅速,该技术应用范围比较广泛,已成为研究复杂流场的一种有效测试手段。虽然很多学者在离心泵内部流动方面研究比较多,对离心泵内部的流动结构和流动规律也有了一些认识,但由于离心泵内部流动比较复杂,许多流动现象的流场结构和产生机理仍不是太清楚,因此还需做大量相关的研究工作。为了揭示离心泵内部流动的规律,及其外特性规律,本文采用数值模拟与试验研究相结合的方法,研究离心泵内部流动规律,为离心泵的设计和改进提供了一定的理论依据。本文的主要工作如下:(1)系统概述了国内外学者在离心泵方面的研究成果及现状。(2)利用Pro/E三维造型软件进行叶轮、蜗壳实体造型,并在Gambit软件中进行网格划分后,导入Fluent软件进行泵内流动数值模拟,并对结果进行了分析。(3)搭建了一套同时满足水泵外特性试验和PIV测试要求的试验台,并在转速为2900r/min工况下,进行水泵的外特性试验,得到了水泵的性能曲线,与数值模拟预测结果进行对比,两者在总体上基本吻合。(4)利用PIV技术,分别在0.4、1.0和1.2倍设计流量的工况下,对离心泵叶轮内部流场进行试验研究。测试窗口分别取在三个不同的叶槽中,在每个叶槽中选取两个断面(中截面和距离前盖板为5mm的截面)。在测得叶轮内部的绝对速度矢量后,按照速度三角形原理对绝对速度进行分解,从而得到了相对速度分量,对其进行分析,揭示了叶轮内部流场的分布规律。根据试验结果可知,采用三维PIV技术对离心泵内部的流场进行研究是可行的,能够反映离心泵内部实际情况的三维流场,其研究成果可为离心泵设计提供重要的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 离心泵内部流动计算的研究现状及发展趋势
• 1.2.1 数值模拟的基本思想
• 1.2.2 离心泵内部流动数值模拟研究现状
• 1.2.3 离心泵内部流动数值模拟发展趋势
• 1.3 离心泵内部流动实验研究现状
• 1.4 论文主要研究内容及组织结构
• 1.5 本章小结
• 第二章 试验装置与PIV 测试系统
• 2.1 试验装置设计
• 2.1.1 试验装置基本要求
• 2.1.2 测试仪器
• 2.2 模型泵
• 2.2.1 设计参数
• 2.2.2 试验泵特点
• 2.3 三维PIV 测试系统
• 2.3.1 三维PIV 基本原理
• 2.3.2 PIV 系统结构
• 2.3.3 三维PIV 测量标定及立体相机Scheimpflug 的配置方式
• 2.3.4 示踪粒子的选择
• 2.4 本章小结
• 第三章 离心泵内部流动数值模拟仿真与性能试验
• 3.1 CFD 理论
• 3.1.1 控制方程组
• 3.1.2 湍流模型
• 3.2 计算模型及边界条件
• 3.2.1 计算模型
• 3.2.2 进口边界条件
• 3.2.3 出口边界条件
• 3.2.4 固壁边界条件
• 3.3 求解方法与离散格式及收敛精度的选择
• 3.4 数值模拟结果分析
• 3.4.1 静压强分布
• 3.4.2 叶轮内相对速度
• 3.5 离心泵性能试验
• 3.5.1 试验方法
• 3.5.2 试验步骤
• 3.6 试验与数值模拟计算的对比分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 离心泵内部流场PIV 测试研究
• 4.1 定位锁相装置
• 4.2 试验参数
• 4.3 试验条件和方法
• 4.3.1 试验条件
• 4.3.2 离心泵内部流动PIV 测试试验方法
• 4.4 PIV 测试结果及分析
• 4.4.1 试验数据处理
• 4.4.2 PIV 测量精度分析
• 4.4.3 各个工况和各个截面的相对流场
• 4.5 本章小结
• 第五章 全文总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表论文