高吸入性能双级离心泵过流部件数值模拟

论文摘要

为了满足对泵的大负荷、大流量、高效率、低汽蚀余量的要求,越来越多生产泵的厂家已经逐渐运用高科技手段对泵进行研究和设计。近年来,随着计算流体力学（CFD）不断发展,离心泵的研究从流体流动机理出发,并使用计算机数值模拟离心泵内部流动,利用模拟结果来指导泵的设计成为重要的研究方向。采用数值模拟手段,一方面可以节省试验资源,缩短产品的研制时间,另一方面它可以显示从试验中难以得出的流动特征的细节。本文应用商业CFD软件ANSYS CFX研究高吸入性能离心泵整机的内部流动,主要做了以下几方面工作：简述了计算流体力学软件在离心泵中的应用情况,介绍了计算流体力学的基本理论和方法,包括紊流理论模型的对比分析,求解代数方程组的基于雷诺时均N-S方程和标准k-ε紊流模型计算方法,三维造型软件MDT对离心泵内过流部件进行造型及网格生成技术。以某型号前置诱导轮双级离心泵为例对整机全流道流场进行数值模拟,叙述了诱导轮、叶轮、径向导叶及蜗壳的实体造型过程,然后将实体造型结果导入ICEM-CFD中对实体模型进行划分网格,应用ANSYS CFX分别计算设计流量及两种非设计流量工况下的流动,得到泵流道内紊流流场模拟图像,包括静压分布图、总压分布图以及速度矢量分布图等,并对得到的结果进行物理描述并加以分析。所得到的模拟结果与单级离心泵的结果基本相似,但又有不同之处,原因是多个部件相互连接,出流受到影响,造成流动被干扰。数值仿真结果捕捉到了双级离心泵内部许多重要的流动现象,这可以用来改善离心泵的设计以进一步提高效率。计算所得的泵水力特性曲线与试验水力特性曲线作了比较,发现两者的吻合良好,并利用性能曲线对该泵整体性能给予分析,最后对该泵优化做出展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 引言
• 1.1 问题的提出与选题意义
• 1.2 离心泵国内外研究现状
• 1.3 离心泵内部流动发展及研究
• 1.3.1 叶轮内部流场分析
• 1.3.2 诱导轮内部流场分析
• 1.3.3 导叶、蜗壳等过流部件的分析
• 1.4 离心泵内部流动数值模拟
• 1.5 本文的主要研究工作
• 2 相关CFD基本理论简介
• 2.1 计算流体力学方法的形成和发展
• 2.2 控制方程及其分类
• 2.2.1 连续性方程
• 2.2.2 运动方程
• 2.2.3 能量方程
• 2.3 紊流理论基础
• 2.4 离散方程分类和定解条件
• 2.4.1 通用方程
• 2.5 控制方程在数值求解中的困难
• 2.6 离散方法简介
• 2.7 本章小结
• 3 计算域的实体造型
• 3.1 实体造型的方法
• 3.2 曲面造型模块
• 3.3 计算域的实体造型
• 3.4 本章小结
• 4 计算网格生成
• 4.1 网格技术介绍
• 4.2 离心泵整机网格生成
• 4.3 本章小结
• 5 内部流态分析
• 5.1 概述
• 5.2 计算假设及边界条件
• 5.3 诱导轮流域数值计算与分析
• 5.3.1 诱导轮简介
• 5.3.2 诱导轮叶片的压力及流动分析
• 5.4 前置诱导轮内两相流空化数值计算
• 5.5 复合叶轮静压力及相对流动分析
• 5.5.1 复合叶轮理论
• 5.5.2 复合叶轮压力及流动分析
• 5.6 径向导叶静压力分析
• 5.7 蜗壳内部静压及流动分析
• 5.8 本章小结
• 6 离心泵性能预测分析
• 6.1 离心泵内能量损失的分类
• 6.2 离心泵性能曲线
• 6.3 性能参数计算公式
• 6.4 性能参数预测
• 6.5 性能分析
• 6.6 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表论文