隔舌对双蜗壳泵径向力和压力脉动影响的数值模拟研究

摘要

随着科学技术的发展，人们对泵的运行稳定性和振动等方面提出了更高的要求，而泵的运行不稳定和振动主要是由其内部流动情况决定的。其中，离心泵径向力的大小直接影响泵工作的稳定性，泵内压力脉动尤其是蜗壳隔舌区的压力脉动是影响水泵运行稳定性的一个重要因素，也是导致振动的重要原因。改变叶轮与隔舌间隙对离心泵的压力脉动和径向力特性有很大影响。本文通过改变双蜗壳基圆直径来改变叶轮与隔舌间的间隙，研究不同隔舌间隙对离心泵径向力和压力脉动特性的影响。主要研究内容有:
　　 1.采用Fluent软件对双蜗壳双吸离心泵内部进行三维定常数值模拟，分析不同基圆直径离心泵双蜗壳内静压力场和速度场分布，得出:随着基圆直径的增加，蜗壳内静压呈明显的增加，蜗壳进口至出口，压力沿蜗壳逐渐增加;蜗壳内流速减小，且蜗形段内的速度最小区增加。随着基圆直径的减小，隔舌部位的压力波动变大。
　　 2.建立径向力计算模型，同样对双蜗壳离心泵内部进行三维定常数值模拟，分析在设计工况及非设计工况下，采用不同基圆直径时作用在叶轮上径向力特性，得出:采用不同基圆直径时作用于叶轮上的径向力不同，随着基圆直径的增大，各个工况下作用于叶轮上的径向力减小。说明适当增大叶轮与隔舌的径向间隙可以改善作用在叶轮上的径向力。
　　 3.在定常数值计算的基础上，对不同基圆直径双蜗壳离心泵进行三维非定常数值计算，揭示了在不同工况下不同隔舌间隙时离心泵隔舌区压力脉动特性。主要结论有:
　　 (1)在设计工况和大流量工况下，不同基圆直径的蜗壳隔舌处的压力脉动均随着叶轮的旋转呈周期性变化，压力脉动的频率以叶频为主;在小流量工况下，压力脉动呈现出不规则变化，随着流量的降低，压力脉动没有明显的周期性，基圆直径为D3=410mm和D3=425mm时低于1倍叶片通过频率的低频脉动占主导地位，其主频为叶轮转频。
　　 (2)在各个工况下，随着基圆直径的增大，计算模型主频的幅值减小，压力脉动越不明显。说明适当增大叶轮与隔舌的径向间隙可以改善离心泵压力脉动，从而改善离心泵动静干涉作用。
　　 4.通过对单蜗壳泵和双蜗壳泵进行定常和非定常数值计算，分析了不同工况下单-双蜗壳泵隔舌处的压力脉动特性，不同工况下作用在叶轮上的径向力特性，主要结论如下:
　　 (1)单蜗壳离心泵在设计工况及大流量工况下，隔舌区压力随时间变化的周期性明显，压力脉动频率以叶片通过频率为主;在小流量工况下，随着流量偏离设计流量加大，隔舌区随时间变化的周期性不明显，压力脉动频率以低于1倍叶片通过频率为主。双蜗壳离心泵在小流量、设计流量及大流量工况下，隔舌区压力随时间变化均呈周期性变化，压力脉动频率都以叶片通过频率为主。
　　 (2)相比较于单蜗壳泵，双蜗壳泵能有效地平衡径向力，在偏离设计工况下径向力变化不大。单蜗壳泵径向力在设计工况下比较小，在偏离设计工况下径向力逐渐增大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景、目的及意义

1．2 国内外研究现状和发展

1．2．1 双蜗壳泵的研究现状

1．2．2 叶轮和蜗壳几何参数对泵径向力及压力脉动影响

1．2．3 CFD技术的发展

1．3 本文研究的主要内容

第2章 离心泵径向力及压力脉动产生机理

2．1 径向力产生机理分析

2．2 叶频倍频脉动产生机理分析

2．3 本章小结

第3章 双蜗壳泵模型设计及网格划分

3．1 基于Pro／E软件的实体模型建立

3．1．1 模型计算区域的确定及其设计

3．1．2 叶轮流道实体模型的建立

3．1．3 双蜗壳压水室实体模型的建立

3．1．4 吸水室实体模型的建立

3．1．5 整体模型的建立

3．2 双蜗壳泵流道实体模型的网格划分

3．2．1 网格相关问题的概述

3．2．2 网格划分

3．2．3 网格对计算解的影响

第4章 定常数值模拟及不同隔舌间隙对径向力的影响分析

4． 1 数值计算方法

4．1．1 三维湍流场基本控制方程

4．1．2 湍流模型

4．1．3 近壁区问题的处理

4．1．3 数值离散和求解方法

4．2 双蜗壳泵内部流场计算模型的选择

4．2．1 网格检查

4．2．2 设置求解器与计算模型

4．2．3 设置边界条件

4．2．4 设置检测器与计算

4．3 不同隔舌间隙时径向力数值模拟结果分析

4．3．1 双蜗壳泵性能试验及不同基圆尺寸泵性能预测

4．3．2 不同工况下不同基圆直径泵性能特性比较

4．3．3 不同基圆直径时双蜗壳静压力场分布

4．3．4 不同基圆直径时双蜗壳速度场分布

4．3．5 径向力计算模型的建立

4．3．6 设计工况下不同基圆直径时径向力特性比较

4．3．7 不同工况下不同基圆直径时径向力特性比较

4．4 小结

第5章 非定常数值模拟及不同隔舌间隙对压力脉动的影响分析

5．1 非定常计算

5．1．1 计算方法

5．1．2 滑移网格模型的建立与方程的离散

5．2 压力脉动分析

5．2．1 压力脉动的分类及其分析方法

5．2．2 压力脉动特征参数的确定

5．2．3 压力脉动监测点位置的设定

5．2．4 时间步长及采样频率的确定

5．3 计算结果分析

5．3．1 非定常模拟双蜗壳泵外特性预测

5．3．2 不同工况下不同计算模型压力脉动时域分析

5．3．3 不同工况下不同计算模型压力脉动频域分析

5．4 小结

第6章 单-双蜗壳离心泵隔舌区压力脉动及径向力特性分析

6．1 单蜗壳泵的设计及其网格划分

6．2 单-双蜗壳泵性能预测

6．3 不同工况下单-双蜗壳隔舌处压力脉动分析

6．4 单-双蜗壳泵径向力计算

6．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表的论文