基于CFD技术及正交法的矿用潜水泵叶轮优化设计研究

摘要

煤炭是我国社会主义现代化建设和人民日常生活所需的重要资源，煤炭工业是我国的基础工业。我国煤矿90％以上都是井下开采，其开采过程中会受到水害严重威胁。矿用潜水电泵在煤矿生产中，因具有造价低、安装使用方便、运行噪音低等优点，已被广泛应用。
　　目前，矿用潜水泵大多都是按照清水泵的方法来设计制造的，但在实际排水过程中，其输送的介质一般为含有固体颗粒的两相流体。用清水泵来输送带有固体颗粒的介质，会出现工作效率低，过流部件磨损严重，寿命短等问题。叶轮是泵内磨损最严重的零件，特别是叶片工作面的磨损情况，会严重影响到泵的性能。矿用潜水泵还存在大流量运行时极易发生过载而烧毁电机的问题，使水泵的可靠性降低。如果加大功率备用系数，采用过大的配套电机，就会造成投资成本增加、电机体积重量增大、能源浪费严重等情况。
　　针对矿用潜水泵目前所存在的问题，本文先利用FLUENT软件对某型潜水泵进行数值模拟，预测泵的性能。然后按照固-液两相流理论、无过载原理设计计算出叶轮水力参数。但是叶片出口安放角β2、叶片包角θ、叶片入口角β1、叶轮进口直径D1、叶片数Z的数值是区间变量，本文运用正交法来分析上述参数对潜水泵性能的影响，找到上述参数的最佳组合，以达到优化设计的目的。将正交分析所得到的最优方案制成叶轮并装入潜水泵内进行性能试验，该叶轮优化模型使潜水泵额定点效率达到46.53%（高于国家规定的效率值41.57%），同时电机输入功率最大值为6.05kW，小于电动机输入功率限值6.32kW，实现了泵的无过载特性。最后，利用ANSYS软件分析叶轮在实际运行工况条件下的受力及变形情况，其分析结果为叶轮的改型提供理论依据。

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1 绪论

1.1 研究背景、目的及意义

1.2 国内外相关技术研究现状

1.3 问题的提出

1.4 本文研究内容

1.5 本章小结

2 CFD基础及湍流理论

2.1 CFD基础及相关软件介绍

2.2 控制方程组

2.3 CFD控制方程的初始及边界条件

2.4湍流流动的基本理论

2.5控制方程的离散

2.6 Simple算法的概述

2.7 本章小结

3 潜水泵性能数值模拟预测

3.1 FLUENT数值模拟流程及其边界条件

3.2 基于FLUENT的潜水泵流场模拟

3.3模拟与实验的结果比较分析

3.4 本章小结

4 矿用潜水泵叶轮水力设计

4.1液-固两相流理论

4.2 无过载设计原理

4.3潜水泵叶轮主要参数的确定

4.4本章小结

5 基于正交法的叶轮几何参数设计

5.1正交试验设计概述

5.2正交试验设计相关概念介绍

5.2正交试验设计

5.3模拟结果的分析

5.4 最终改进方案的确定

5.5 性能试验

5.6本章小结

6 潜水泵叶轮受力及变形分析

6.1 ANSYS简介

6.2 载荷的施加

6.3 应力结果分析

6.4应变结果分析

6.5 变形结果分析

6.6 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文研究总结

7.2 展望

参考文献

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