货油泵反转扭矩及其内部流场的研究

摘要

为了保证船用货油泵的安全运行，需要防止泵系统突然发生故障或者液体抽完时返回导致水泵反转，这是因为驱动货油泵的液压马达是不允许反转的，这就需要研究泵反转时反转扭矩的大小以确定泵的逆止器的型号。目前关于这方面的研究几乎没有相关报道，所以研究其反转扭矩的大小有着重要的理论意义和良好的应用前景。
　　 本文利用FLUENT6.1软件，采用标准k-ε方程紊流模型和SIMPLEC算法，以型号为YQB-80-70货油泵为研究对象，对该泵不同工况下的内部流场做了数值模拟。针对货油泵在断电瞬间液体倒流时会产生很大的力矩的实际情况，将不同流量下的反转工况进行了内部流场模拟，求解出了货油泵扭矩的最大值。最后对货油泵不同工况点的径向力做了计算。主要结论如下：
　　 ⑴分析数值模拟的内部流场可得：在各个工况下，其压力和速度的分布规律和趋势基本一致。在设计工况下，叶轮流道位于隔舌处的静压和总压相对较高，小流量下尤为明显；蜗壳流道靠近叶轮出口处的速度与蜗壳内其他区域相比明显较高，说明在叶轮旋转过程中，各流道的水流流动随着在蜗壳中相对位置的不同而发生变化。
　　 ⑵为了方便计算设定泵的出水高度为10m，则水泵开始反转的瞬间承受40m高水柱的重力与管道内压力之和。本文选择不同流量的工况点，以流量速度关系公式v=Q/πR2计算出一组不同工况点的进口速度，进行反转模拟并计算得到货油泵在各个工况点的M值。并将模拟得到的各工况点的正转扭矩、反转扭矩与设计时的扭矩值进行比较，得到正反转时相应流量点的扭矩值近似，其变化趋势基本一致；在工况点1.8Q时，反转扭矩值M=61.304Nm是最大扭矩值，针对本研究对象建议取1.8Q的反转扭矩来选择逆止器的型号最为合适；找到了正反转最大扭矩之间的关系Mmax反转/Mmax正转≈1.1，此结论证实是合理适用的，所以对于水泵来说可以取1.1倍的正转最大扭矩来确定逆止器的型号。
　　 ⑶通过分析径向力原理，数值模拟计算出了五个工况点的径向力，进行比较并绘制了其随流量变化的曲线，得出在设计工况下即流量为1.0Q时径向力为最小值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1问题的提出

1.2货油泵的简介

1.3研究现状与发展概况

1.4 CFD在离心泵内部流动分析中的发展

1.5本文主要的研究内容

第2章数值模拟方法

2.1三维流动基本方程及湍流模型

2.1.1基本方程

2.1.2控制方程的离散化方法

2.1.3湍流模型理论

2.2 k-ε双方程紊流模型

2.2.1标准k-ε模型

2.2.2 RNGk-ε模型

2.2.3 Realizablek-ε模型

2.3压力修正算法

第3章模型的建立与网格的划分

3.1水力模型的设计

3.1.1叶轮设计

3.1.2压出室的设计

3.2三维实体模型的建立

3.2.1计算区域的选择

3.2.2叶轮模型的建立

3.2.3蜗壳实体模型的建立

3.2.4整体模型的建立

3.3网格的生成

第4章全流场数值计算与研究内容的分析

4.1基本设计参数

4.2边界条件

4.2.1进出口边界条件

4.2.2固壁边界条件

4.3网格数量以及收敛精度的选择

4.3.1网格的疏密度

4.3.2收敛的精度

4.3.3对网格数量和收敛精度的选择

4.4流场的模拟

4.4.1叶片表面的压力分布

4.4.2叶片表面的速度分布

4.4.3叶轮与蜗壳内部的压力和速度分布

4.4.4叶轮内部的压力和速度分布

4.5扬程、效率和轴功率的计算及性能分析

4.5.1不同工况下的扬程

4.5.2不同工况下的效率和功率

4.5.3性能分析

4.6反转工况内部流场的模拟及扭矩的求解

4.7径向力的求解

4.7.1径向力的成因与平衡

4.7.2径向力计算原理和数值求解

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表的论文