基于CFD的带分流叶片离心泵内部流场及性能研究

论文摘要

离心泵是一种广泛应用于国民经济各个领域的通用水力机械,按照传统方法设计的离心泵都有效率低、易过载、扬程曲线出现驼峰、小流量工况下不稳定以及运行时容易产生振动和噪声等问题,添加分流叶片设计法是目前解决上述问题,改善离心泵性能最有效的方法之一。针对已往研究的带分流叶片离心泵结构较为单一,本文首先对一种已往研究较少的长中短叶片离心泵进行研究,然后设计出一种结构新型的双分流叶片离心泵,并进行研究,以期为带分流叶片离心泵的结构设计提供新的思路和方法,最后利用非定常数值计算的方法探索分流叶片对泵体诱导振动和噪声的影响。主要工作和结论有：（1）以IS50-32-125型离心泵作为模型泵,建立了计算模型和确定了数值计算方法,探讨了湍流模型、网格尺寸和收敛精度对计算结果的影响,并通过离心泵外特性试验,验证了本文所采用的计算模型和计算方法的准确性。（2）在模型泵的基础上设计出长中短叶片离心泵,并采用正交数值模拟研究的方法对长中短叶片离心泵叶轮的主要几何结构参数,如中分流叶片进口直径、短分流叶片进口直径、中短分流叶片周向偏置度等3个因素进行研究,获得了各几何结构参数与离心泵性能之间的关系,同时得到了各几何结构参数对离心泵性能影响的主次顺序。设计出的最佳长中短叶片离心泵扬程在全流量工况范围内比模型泵提高了16.59%～47.15%,整机效率在大流量区域比模型泵提高了0.78%～12.67%。（3）在模型泵的基础上设计出双分流叶片离心泵,并通过数值模拟的方法探讨了双分流叶片离心泵叶轮主要几何结构参数,如双分流叶片进口直径、双分流叶片周向偏置度及叶片数对离心泵内部流场及整机性能的影响,得出了各几何结构参数的最优设计取值。设计出的最佳双分流叶片离心泵,扬程在全流量工况范围内比模型泵增加了15.02%～36.63%,效率在大流量区域比模型泵提高了1.92%～12.44%,而且扬程曲线更加平坦,效率曲线向大流量方向偏移,高效区也变宽了。（4）采用滑移网格技术对4种不同叶轮类型的离心泵在小流量工况、最佳工况和大流量工况下进行非定常数值计算,由此获得了4种离心泵在一个周期内不同时刻的压力分布情况,同时在蜗壳流道内设置了6个监测点,监测各处压力随叶轮旋转的变化曲线,最终结果表明：采用长中短叶片布置或添加双分流叶片可使离心泵流道内的压力波动大幅减小,有效地改善了离心泵的诱导振动和噪声情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 离心泵设计方法的研究现状
• 1.2.1 离心泵设计方法概述
• 1.2.2 添加分流叶片设计法研究现状
• 1.3 本文的研究内容
• 2 带分流叶片离心泵的相关理论
• 2.1 离心泵的基本方程
• 2.1.1 速度三角形
• 2.1.2 基本方程
• 2.2 离心泵内部的不稳定流动特性
• 2.2.1 回流
• 2.2.2 边界层分离与二次流
• 2.2.3 尾流-射流结构
• 2.3 带分流叶片离心泵的基本原理
• 2.4 数值模拟基本理论
• 2.4.1 控制方程
• 2.4.2 湍流模型
• 2.4.3 求解方法
• 2.4.4 动静耦合模型
• 2.5 本章小结
• 3 离心泵数值计算参数设置及试验验证
• 3.1 模型泵几何参数
• 3.2 计算模型的建立
• 3.3 计算方法的确定
• 3.3.1 湍流模型选择
• 3.3.2 边界条件设置
• 3.3.3 求解参数确定
• 3.3.4 网格尺寸选择
• 3.3.5 收敛依据确定
• 3.4 性能曲线预测
• 3.4.1 离心泵性能曲线
• 3.4.2 离心泵性能参数计算
• 3.5 外特性试验验证
• 3.5.1 扬程-流量曲线对比分析
• 3.5.2 轴功率-流量曲线对比分析
• 3.5.3 效率-流量曲线对比分析
• 3.6 本章小结
• 4 长中短叶片离心泵数值研究
• 4.1 长中短叶片离心泵设计
• 4.2 研究方案
• 4.3 结果分析
• 4.3.1 总体分析
• 4.3.2 因素分析
• 4.4 本章小结
• 5 双分流叶片离心泵数值研究
• 5.1 双分流叶片离心泵设计及分析方法
• 5.2 双分流叶片进口直径的影响
• 5.2.1 设计方案
• 5.2.2 双分流叶片进口直径对流场的影响
• 5.2.3 双分流叶片进口直径对性能的影响
• 5.3 双分流叶片周向偏置的影响
• 5.3.1 设计方案
• 5.3.2 双分流叶片周向偏置对流场的影响
• 5.3.3 双分流叶片周向偏置对性能的影响
• 5.4 叶片数的影响
• 5.4.1 设计方案
• 5.4.2 叶片数对流场的影响
• 5.4.3 叶片数对性能的影响
• 5.5 双分流叶片离心泵与其他叶轮类型离心泵对比分析
• 5.5.1 对比方案
• 5.5.2 内部流场对比分析
• 5.5.3 预测性能对比分析
• 5.6 本章小结
• 6 带分流叶片离心泵非定常数值研究
• 6.1 引言
• 6.2 非定常数值计算方法
• 6.2.1 边界条件
• 6.2.2 周期及时间步长
• 6.2.3 收敛准则
• 6.3 非定常流场特性分析
• 6.4 流道内压力脉动分析
• 6.4.1 最佳工况下压力脉动分析
• 6.4.2 其他工况下压力脉动分析
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 致谢