论文题目: 轴流泵CAD-CFD综合特性研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 农业电气化与自动化
作者: 王海松
导师: 王福军
关键词: 轴流泵,耦合分析
文献来源: 中国农业大学
发表年度: 2005
论文摘要: 轴流泵是一种量大面广的水泵产品,在大型调水工程、灌溉工程及城镇给排水工程中应用广泛,也常被用作船舶和两栖车辆的推进器,因此,对其效率等性能指标进行深入研究显得尤为重要。本文针对目前轴流泵设计和分析过程中存在的主要问题,建立了完整的计算机辅助设计(CAD)系统,并通过计算流体动力学(CFD)手段,建立了分析和预测轴流泵内部流场及外特性的基本方法。应用实践表明,所提出的轴流泵CAD-CFD系统可快速、高效地完成主要过流部件的2D水力设计、3D实体造型,并可根据CFD分析结果快速判断CAD的设计质量,从而开发出高性能的水泵产品。本文的主要研究内容和取得的主要成果包括: 采用在CAD中的具有突出优势的面向对象技术,提出了将水力设计中内部数据和方法、外部图形表示及人机交互完整封装的新策略,给出了具体的CAD系统结构图及实施方案。在此基础上,研究了基于特征的自动和半自动建模方法,重点研究了参数化驱动、特征描述法和自定义特征法的特点并综合运用,给出了叶片和其他部件的建模实例以及核心代码,填补了轴流泵三维建模的空白,也为其他流体机械的建模提供了参考。 采用多种计算模式对轴流泵流场进行不同方案的数值计算。研究表明:(1)单通道方案具有简单快速的特点,而全流道计算虽然计算量大,但是预测结果更接近实验值;(2)计算区域的进口采用均匀速度进口、位置选为泵的进口是合适的;(3)计算区域的出口条件采用充分发展流,位置相对泵的出口延伸约叶轮直径的10%时,可取得最佳的计算结果;(4)局部加密对轴流泵的计算精度有比较重要的影响,在网格总节点数基本保持不变的前提下,对叶片附近进行细密的网格划分,可明显提高计算精度。文中选择了一低扬程轴流泵作为实例,预测了泵的内部流场特性及其外性能,并将外特性和实验值进行了对比,在采用全流道方案、近叶片区局部加密的前提下,采用约20万混合节点的网格模型时,扬程预测值相对实验值的误差的绝对值在4.5%以内,功率误差约为3.1%,总效率误差约为4.1%。研究还发现,叶片正面和背面的速度、压力分布有着明显的规律,背面的低压区和汽蚀区域相吻合;由于径向间隙的存在,叶片正面靠近轮缘处形成了狭长的带状低压区,叶片轮缘面的速度分布清楚的显示了间隙处的回流。 文中还对轴流泵设计有重要影响的流型进行了全面的分析和研究,指出现有等环量流型存在的不足,提出了改进流型设计:轴面速度在进口边前直线下降、出口边后呈抛物线分布、环量的分布规律由设计人员给定。与常规流型对比,改进流型设计更真实的反应了泵内的实际流动情况,改善了叶片的扭曲,提高了效率。 本文所取得的研究成果对于改善轴流泵设计手段、提高设计水平、改进泵的水力性能有重要的指导意义,具有广泛的工程应用前景。
论文目录:
第一章 绪论
1．1 引言
1．2 轴流泵CAD／CFD的研究现状
1．2．1 国内外轴流泵的应用现状
1．2．2 国内外轴流泵CAD的研究现状
1．2．3 国内外轴流泵CFD的研究现状
1．3 研究内容
1．3．1 轴流泵的计算机辅助设计和辅助建模
1．3．2 轴流泵内部流场的数值计算
1．3．3 轴流泵CAD和CFD的综合应用
1．4 技术路线
1．5 本章小结
第二章 轴流泵计算机辅助设计和辅助建模的研究
2．1 水力设计CAD的策略
2．1．1 水力设计方法及其新进展
2．1．2 水力设计CAD的支撑软件和软件设计方法
2．2 面向对象方法在水力设计CAD中的应用
2．2．1 面向对象方法在CAD中的要求
2．2．2 面向对象方法的实施
2．3 水力设计CAD的实现
2．4 三维辅助建模的策略
2．5 三维辅助建模的关键点和实施
2．5．1 泵体、轮毂体的自动建模
2．5．2 叶片的建模
2．5．3 参数驱动建模
2．6 本章小结
第三章 轴流泵流场数值计算的研究
3．1 数值计算的基本方程
3．2 湍流数值计算的方法
3．2．1 直接数值模拟
3．2．2 大涡模拟
3．2．3 Reynolds平均法
3．3 两方程模型
3．3．1 标准K-ε模型
3．3．2 RNG K-ε模型
3．3．3 Realizable k-ε模型
3．4 控制方程组的求解方法
3．5 计算区域的选择
3．5．1 计算区域的初步确定
3．5．2 全流道和单流道计算的比较
3．5．3 计算区域进口位置的选择
3．5．4 计算区域出口位置的选择
3．6 网格模型的研究
3．6．1 子区域的划分
3．6．2 网格疏密度的研究
3．6．3 网格局部加密的研究
3．7 边界条件的处理
3．7．1 进口边界条件
3．7．2 出口边界条件
3．7．3 壁面边界条件
3．8 计算求解
3．8．1 湍流模型的选择
3．8．2 求解方法和离散格式的选择
3．8．3 收敛精度的选择
3．9 本章小结
第四章 轴流泵CAD／CFD的综合应用研究
4．1 CAD／CFD综合应用的意义
4．2 CAD／CFD综合应用系统的探讨
4．3 综合应用实例：水力设计及实体建模
4．3．1 水力设计
4．3．2 实体建模
4．4 综合应用实例：内部流场的数值计算
4．4．1 网格模型的建立
4．4．2 模型的设置和计算
4．5 综合应用实例：外特性预测以及与实验值的对比分析
4．5．1 性能预测
4．5．2 性能实验
4．5．3 预测结果与实验结果的对比分析
4．6 综合应用实例：速度压力场的分析
4．6．1 叶片正背面的速度分布
4．6．2 叶片正背面的压力分布
4．6．3 径向间隙处的回流
4．6．4 同轴圆柱面的压力分布
4．6．5 山口的压力分布
4．7 流型的分析与改进
4．7．1 常规流型
4．7．2 计算流场流型
4．7．3 流型的改进
4．7．4 改进流型的应用
4．8 本章小结
第五章 结论
5．1 结沦
5．1．1 结论要点
5．1．2 创新点
5．2 存在的不足
5．3 展望与建议
参考文献
致谢
作者简介
发布时间: 2005-06-13
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