高速部分流泵的内部流场模拟及性能预测

摘要

部分流泵是一种小流量高扬程特殊离心泵，也叫切线泵，与一般离心泵相比，其流量—扬程特性曲线平坦，即能达到变流恒压效果，解决了一般离心泵小流量超压的问题。 目前，部分流泵的设计理论还不完善，小流量高扬程的低比转速部分流泵取得了一些成功的经验。随着城市中的高层、超高层建筑大量涌现，对超压有严格要求的消防泵，以及石油、化工等工业新项目的选型和旧机组的扩容，均需要大流量高扬程部分流泵。 如何使大流量高扬程部分流泵也具有平坦的流量—扬程特性曲线，针对此问题，文中以一具体的大流量高扬程消防泵为研究对象，开展了内部流场的研究和性能预测。 首先，通过将原设计部分流泵外特性的预测值与实验结果进行对比分析，验证了采用CFD技术模拟部分流泵内部流场、预测其性能是可行的，并具有一定的精度。 其次，鉴于原设计泵流量扬程曲线陡降度未满足设计要求，对其内部流场进行了分析，并找出其存在的主要问题。在此基础上，对叶轮、蜗壳的结构形式进行了多方案改进，并对改进后的各模型进行了模拟计算。基于模拟计算结果，对各模型泵的内外特性进行了对比分析，探讨了叶轮、蜗壳的结构形式对部分流泵性能的影响。研究表明：1）矩形螺旋蜗壳能够明显提高泵的扬程和效率，并使流量—扬程特性曲线趋于平坦；2）斜叶片叶轮会降低泵的扬程系数，增大扬程特性曲线的陡降度；3）复合叶轮能够提高泵的扬程，同时泵的效率也能够得到保证，并且能使泵的流量—扬程特性曲线变得更为平坦。 最后，通过将最佳泵型外特性的预测值与实验值进行对比分析，验证了该泵研制成功。得出对大流量高扬程部分流泵进行设计时，不适宜采用目前通用的设计小流量部分流泵的方法，可参考如下结论： （1）当n，=56左右时，扬程系数可超过0．7进行选取； （2）由于流量大，喉部流速系数的选取应低于0．6； （3）取Z=8的直叶片叶轮配矩形螺旋蜗壳比较合适。 文中的研究工作不仅对部分流泵的水力设计方法进行了扩充，拓宽了部分流泵的使用范围和结构形式，而且在工程中得到了实际运用，带来了可观的经济价值和社会价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪 论

1.1课题研究的背景及意义

1.2部分流泵研究现状

1.2.1国外研究概况

1.2.2国内研究概况

1.3本文的主要工作

第2章 部分流泵的水力设计基本原理及方法研究

2.1部分流泵的工作原理

2.1.1部分流泵的定义

2.1.2部分流泵的工作原理

2.2部分流泵的基本方程

2.3部分流泵的水力设计

2.3.1叶轮外径D2

2.3.2泵体出口扩散管喉部直径dt

2.3.3叶片数Z

2.3.4其它尺寸参数

2.4部分流泵的能量损失

第3章 CFD理论及数学模型综述

3.1基本控制方程

3.2湍流模型

3.2.1标准κ-ε模型

3.2.2 RNGκ-ε模型

3.2.3 Realizablκ-ε模型

3.2.4使用κ-ε模型时近壁区的计算问题

3.3基于有限体积法的控制方程离散

3.4流场数值计算的求解方法-SIMPE算法

3.4.1 SIMPLE算法概述

3.4.2 SIMPLE算法的发展与改进

3.5收敛判据

3.6动静过流部件流动耦合方法

3.7CFD商用软件介绍

3.7.1FLUENT软件简介

3.8本章小结

第4章 模型建立及网格划分

4.1设计参数及方案

4.2水力计算

4.2.1叶轮直径D2的确定

4.2.2壳体喉部直径dt的确定

4.2.3叶片总宽度b2的确定

4.2.4环形蜗壳设计

4.3模型的建立

4.3.1计算区域的确定

4.3.2模型与网格划分的匹配

4.3.3 Pro/E建模

4.4网格的划分

4.4.1网格划分技术

4.4.2网格质量优化

4.4.3计算域网格的生成

4.4.4网格质量检查

4.4.5边界条件及区域类型的指定

4.5本章小结

第5章 CFD计算及结果分析

5.1流场计算的操作步骤

5.2数值模拟的可靠性验证

5.2.1外特性的预测

5.2.2水泵外特性的计算值与实验值的对比

5.3内部流场分析

5.3.1计算结果的显示

5.3.2计算结果的分析

5.4提出改进方案

5.5改进模型的性能分析

5.5.1蜗壳结构形式对部分流泵性能的影响

5.5.2叶轮结构形式对部分流泵性能的影响

5.6模型的优选

5.7本章小结

全文总结及工作展望

参考文献

致 谢

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