低比转速离心泵蜗壳与叶轮匹配关系的数值研究

论文摘要

本文对离心泵内不同形式蜗壳与叶轮之间的匹配关系进行了较细致的数值研究,开展的主要工作有：首先,根据蜗壳设计理论,在马蹄形断面蜗壳的基础上重新设计了圆形断面和矩形断面两种蜗壳,并分别将三种不同断面的蜗壳与同一叶轮组合进行了三维定常计算。计算结果表明,不同断面形式蜗壳对离心泵性能及其内部流动特性有一定影响。矩形和圆形蜗壳在大流量工况区的效率比马蹄形蜗壳有略微的提高,在设计工况点,矩形蜗壳的效率比马蹄形蜗壳低0.14%,但在大流量工况却高出了1.6%。在小流量工况圆形蜗壳的扬程比马蹄形蜗壳的扬程低了0.5m,矩形蜗壳和马蹄形蜗壳相差不大；在大流量工况马蹄形蜗壳的扬程有所降低,在1.4Qd时达到最低,比矩形蜗壳泵的扬程低了0.4m。在定常计算的基础上,开展了三种蜗壳离心泵内部的非定常流动数值计算。计算结果表明,在设计流量下,各个叶道内的流动呈现出轴对称性的特征,并且不同时刻各个叶道内的流动变化不大；蜗壳进口周向平均压力分布比较均匀；非设计工况下,各个叶道内的流动不再具有轴对称特征。其中,在小流量工况,叶道内的流动受尾迹的影响很大,各叶道内靠近叶片吸力面距叶道出口2／3处产生了明显的旋涡,最靠近蜗舌的叶道出口的尾迹几乎占满了整个叶道的出口,致使对应的蜗壳进口处出现了回流现象。大流量工况下,离心泵叶轮内部的流动受尾迹的影响减弱,当叶轮尾部扫过蜗舌时,在靠近蜗舌的叶片尾部压力面处有明显的高速射流。蜗壳断面的形状对蜗壳内的脉动压力有一定的影响,在蜗舌部位,设计工况和大流量工况矩形蜗壳测点T2、T3的压力脉动的幅值比马蹄形蜗壳和圆形蜗壳的小,T1点的脉动幅值随蜗壳断面形状的改变变化较小；蜗壳壁面上第Ⅷ断面到第V断面的范围内的压力脉动随蜗壳断面形式的不同变化较为明显,设计工况和大流量工况矩形蜗壳壁面上各测点的压力脉动的幅值比马蹄形蜗壳和圆形蜗壳的小。在非定常流动计算的基础上,对马蹄形蜗壳在三种流量工况下的流动噪声的偶极子声源进行了预测,并基于该预测结果,分别对矩形蜗壳和圆形蜗壳对应声源区域监测点的声源强度进行了计算,对比分析了不同蜗壳对偶极子声源强度的影响。结果表明,由于旋转叶轮和静止的蜗壳存在着很强的动静干涉,各个工况下偶极子声源所产生的噪声主要以离散噪声为主,同时含有一定的宽频成分。设计流量工况下,偶极子声源强度最大的位置主要在蜗舌靠近叶轮侧的测点附近的区域。非设计流量工况下,噪声源的范围较设计工况均有所扩大,声源的强度有较大的增幅。蜗壳断面的形状对于流动噪声的成分的改变影响不大,对偶极子声源强度的有一定的影响,设计工况和大流量工况下矩形蜗壳的强度要小一些。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究意义及背景
• 1.2 离心泵内部流动的研究历史
• 1.3 离心泵内部流动的研究现状
• 1.4 离心泵内部流动噪声的研究历史及现状
• 1.5 本文研究内容
• 2 计算流体动力学方法
• 2.1 流动控制方程
• 2.2 湍流数值模拟方法
• 2.3 雷诺平均理论
• 2.3.1 雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程
• 2.3.2 湍流模型
• 2.4 湍流流动的近壁处理
• 2.4.1 壁面函数法
• 2.4.2 近壁处理对网格的要求
• 2.5 数值求解方法
• 2.6 压力速度耦合方法
• 2.6.1 SIMPLE算法
• 2.6.2 SIMPLEC算法
• 2.6.3 PISO算法
• 2.7 本章小结
• 3 离心泵内部流动的三维定常计算分析
• 3.1 数值研究对象
• 3.1.1 数值计算域模型
• 3.1.2 计算域网格的划分
• 3.1.3 计算方法及边界条件
• 3.2 叶轮与蜗舌不同相对周向位置下的定常计算
• 3.2.1 物理模型
• 3.2.2 计算结果分析
• 3.3 不同断面形状蜗壳对离心泵性能的影响
• 3.3.1 不同蜗壳断面的设计及三维造型
• 3.3.2 计算结果分析
• 3.4 本章小结
• 4 不同断面形状蜗壳离心泵内部非定常流动分析
• 4.1 计算条件
• 4.1.1 边界条件与初始条件
• 4.1.2 时间步长的选取
• 4.1.3 收敛标准
• 4.2 计算结果分析
• 4.2.1 离心泵内部流动分析
• 4.2.2 不同断面蜗壳进口周向压力及径向速度分布
• 4.2.3 离心泵蜗壳内部流动分析
• 4.2.4 不同断面蜗壳的内部测点压力脉动分析
• 4.3 本章小结
• 5 离心泵内部流动噪声预测
• 5.1 马蹄形蜗壳离心泵流动噪声声源的识别
• 5.1.1 离心泵偶极子声源的识别方法
• 5.1.2 静压变化率的时域分析
• 5.1.3 静压变化率频域分析
• 5.1.4 偶极子声源强度分析
• 5.2 三种蜗壳流动噪声声源强度的对比
• 5.2.1 蜗舌附近测点的静压变化率时域分析及频域分析的对比
• 5.2.2 三种蜗壳偶极子声源强度的对比
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 硕士研究生期间发表论文情况