冲压式多级离心泵内流场数值模拟及水力性能研究

论文摘要

冲压式多级离心泵由于采用冲压焊接工艺制造,外型美观、重量轻,比传统的铸造多级离心泵节能、节材、高效和环保;还有效地解决了低比转速及超低比转速离心泵在铸造工艺中无法实现的难题;极易实现生产的机械化和自动化;除此之外,在水力性能方面冲压式多级离心泵也优于铸造多级离心泵。由于目前还没有对冲压式多级离心泵整级的研究,因此本文的研究对改善冲压式多级离心泵的性能具有重要的意义。本文采用数值模拟和实验验证相结合的方法,不仅通过现场实验得到了DL16冲压式多级离心泵的外特性参数,还利用数值模拟与实验结果的比较,确认了数值模拟的准确性。本文得到的结论如下所示:(1)综述了冲压式多级离心泵工作原理、结构、优点和国内外发展现状,介绍了商用CFD软件的发展,从控制方程、湍流模型、离散化方法和边界条件等多方面详细介绍了湍流流动数值模拟的理论基础。通过对各种模型的分析,确定适用于冲压式多级离心泵的数学模型,给出用于冲压式多级离心泵模拟的基础方程、算法及求解方式。(2)对冲压式多级离心泵的叶轮、导叶和泵壳的主要参数进行水力设计,并建立三维模型。使用ICEM软件对各部分流场进行网格划分。利用CFX软件对冲压式多级离心泵的内流场进行数值模拟。在稳态下对不同工况的冲压式多级离心泵内流场进行模拟,得到压力分布和速度分布;在瞬态下对工况下的冲压式多级离心泵内流场进行模拟,得到六个旋转周期内的压力和速度变化情况,并对第五个周期内的六个时刻进行分析,得出了叶轮进出口总压、速度随时间变化的规律。(3)通过实验仪器对冲压式多级离心泵的外特性参数进行测试,并和数值模拟的预测曲线进行比较,分析预测曲线随流量的变化趋势,误差形成的原因,为冲压式多级离心泵的性能改善提供依据。(4)对冲压式多级离心泵在不同湍流模型下的外特性参数进行了比较,分析得出了最适合的湍流模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究意义
• 1.3 研究目的
• 1.4 冲压式多级离心泵概述
• 1.4.1 冲压式多级离心泵工作原理
• 1.4.2 冲压式多级离心泵结构
• 1.4.3 冲压式离心泵的分类
• 1.4.4 冲压式多级离心泵的性能参数
• 1.4.5 冲压式多级离心泵优点
• 1.4.6 冲压式多级离心泵的关键设计
• 1.4.7 冲压式多级离心泵的应用领域
• 1.5 冲压式多级离心泵发展和模拟综述
• 1.5.1 冲压式多级离心泵国内外发展现状
• 1.5.2 应用前景
• 1.6 研究方法
• 1.7 研究内容
• 1.8 本章小结
• 第二章 冲压式多级离心泵的数值解法
• 2.1 计算流体动力学及CFX 简介
• 2.2 基本控制方程组
• 2.3 湍流理论
• 2.3.1 Reynolds 平均法简介
• 2.3.2 湍流模型
• 2.3.2.1 涡粘模型
• 2.3.2.2 雷诺应力模型
• 2.3.3 壁面函数
• 2.4 结构化和非结构化网格
• 2.5 基于有限体积法的控制方程离散
• 2.5.1 离散化的目的
• 2.5.2 有限体积法
• 2.5.3 离散格式
• 2.5.3.1 空间离散
• 2.5.3.2 时间离散
• 2.6 压力和速度耦合
• 2.7 冲压式多级离心泵内流问题的解法
• 2.8 本章小结
• 第三章 冲压式多级泵计算几何造型和网格划分
• 3.1 造型实例
• 3.2 冲压式多级泵过流部件的实体造型
• 3.2.1 叶轮内流体的三维实体造型
• 3.2.2 导叶内流体的三维实体造型
• 3.2.3 冲压式多级泵整体模型的造型
• 3.3 冲压式多级泵内流体的网格划分
• 3.4 网格无关性的研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 冲压式多级泵的数值模拟
• 4.1 边界条件、求解控制与收敛判据
• 4.1.1 边界条件
• 4.1.2 求解控制
• 4.1.3 收敛判据
• 4.2 定常下冲压式多级泵内流场的数值模拟
• 4.3 非定常下冲压式多级泵内流场的数值模拟
• 4.4 本章小结
• 第五章 实验测试与性能预测
• 5.1 实验目的
• 5.2 实验方案与实验装置
• 5.2.1 流量
• 5.2.2 扬程
• 5.2.3 轴功率
• 5.2.4 效率
• 5.2.5 转速
• 5.2.6 比转速
• 5.3 性能预测与实验结果的比较
• 5.4 冲压式多级离心泵在不同湍流模型下的比较
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢