水翼动力学特性与轴流泵水力性能优化研究

摘要

轴流泵是在工农业生产及国防等领域广泛应用的通用机械之一，在国民经济发展中发挥着重要作用。近年来，为满足喷水推进船舶及水陆两栖战车等安全稳定运行的需要，工程上对轴流泵的水力及空化性能提出了更高的要求。本文根据轴流泵流动特点，从用于轴流泵设计的翼型动力学特性分析、低比转数轴流泵湍流流动数值模拟和串列轴流泵设计及内部流动分析等几个方面，对改善低比转数轴流泵空化性能的方法进行了探索性研究。主要研究内容及取得的成果如下： 在分析常规翼型特性的基础上，设计了一种水翼，采用二维激光多普勒测速仪(LDV)对该水翼进行了绕流测试研究，获得了水翼外部绕流特征。采用时均雷诺方法，对水翼外部绕流进行了数值模拟。讨论了不同湍流模型和近壁区处理方法对水翼数值模拟的适用性。比较发现：相同壁面处理条件下，Realizable k-ε模型所得边界层流速分布与试验值最为接近；对于相同的湍流模犁，采用增强型壁面处理所得模拟结果与试验值最为吻合。基于数值模拟结果，得到了水翼升阻系数等动力学特性，为采用该水翼进行轴流泵水力设计打下基础。 基于水翼及其动力特性，采用环量沿叶片半径为二次曲线分布的变环量设计方法，完成了轴流泵ZLB-HYD的水力设计。采用工程上应用广泛的RNGk-ε模型，在交错网格中，应用SIMPLEC算法，对所设计的轴流泵进行了全通道数值模拟，分析了泵内湍流流动特性。基于流场计算结果，提出了预测空化性能的方法，预测了轴流泵ZLB-HYD的能量性能及空化性能。结果显示，轴流泵ZLB-HYD空化及能量特性均优于现有同型号普通轴流泵，验证了新水翼可满足高空化性能轴流泵设计的要求。 为进一步提高轴流泵的空化性能，将诱导轮技术引入到轴流泵中，提出了串列轴流泵的方案。阐述了串列轴流泵诱导轮各主要几何参数选择时需要考虑的问题，介绍了串列轴流泵诱导设计计算过程和方法，完成了串列轴流泵水力设计。对所设计的串列轴流泵进行了全通道三维湍流定常数值模拟。分析了串列轴流泵内部流场特性，并对其外特性进行了预估。重点研究了诱导轮叶片出口安放角与主叶轮叶片进口安放角匹配、诱导轮与主叶轮的轴向间距及周向相对位置对串列轴流泵性能的影响。数值预测结果表明：串列轴流泵外特性曲线与普通轴流泵相似，但高效区范围较窄，在小流量工况，流量扬程曲线将出现

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第一章引言

1.1课题的背景和意义

1.2轴流泵水力设计方法研究现状

1.3轴流泵CFD研究现状

1.4水翼及轴流泵空化研究现状

1.5串列轴流泵研究现状

1.6本文的主要工作

第二章轴流泵内部三维湍流计算方法

2.1基本控制方程

2.2湍流数值计算方法

2.3湍流涡粘模型

2.4控制方程的求解方法

2.5本章小结

第三章水翼动力学特性研究

3.1水翼几何参数

3.2水翼试验研究

3.3水翼数值模拟

3.4本章小结

第四章基于水翼的轴流泵水力设计及数值模拟

4.1基于水翼的轴流泵优化水力设计

4.2轴流泵三维定常数值模拟

4.3 350ZLB-50轴流泵数值模拟及性能预测

4.4 350ZLB-50与ZLB-HYD性能比较

4.5本章小结

第五章串列轴流泵设计及数值模拟

5.1串列轴流泵速度三角形分析

5.2串列轴流泵诱导轮设计

5.3串列轴流泵湍流数值模拟

5.4计算结果及分析

5.5性能预测

5.6诱导轮与主叶轮相对位置对串列轴流泵性能的影响

5.7本章小结

第六章结论与展望

6.1主要结论

6.2主要创新点

6.3未来工作展望

参考文献

致谢

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