高比转速蜗壳式混流泵三元水力设计及数值模拟

摘要

混流泵因其扬程适中、流量较大、适用范围广等特点，在国民经济众多领域被广泛应用。然而相比于离心泵和轴流泵，混流泵的设计开发依然没有成熟的理论体系，特别是针对高比转速蜗壳式混流泵，国内外对其研究甚少，缺乏可靠的水力模型。蜗壳式混流泵具有轴向尺寸短、机组的运行稳定性和可靠性高的优势，因此深入开展高比转速蜗壳式混流泵的水力设计研究成为必然。传统混流泵的水力设计方法通常借用离心泵的一元理论设计方法和轴流泵的奇点法与升力法，这些方法不仅要求设计者有充分的水力设计经验并且需要大量的时间和成本对模型进行反复修改和试验。
　　本文结合工程实际需要应用准正交面三元流动理论方法完成了比转速为603的蜗壳式混流泵的水力设计，并分别通过三维定常和非定常数值模拟计算，研究其内部流场特性和压力脉动特性，以验证三元流动水力设计方法的可靠性，并为混流泵的稳定运行提供支撑。本文主要研究内容如下：
　　1．根据准正交面三元流动计算，由三个运动方程和一个连续性方程，建立速度梯度方程，并将速度梯度方程分解成三个方向来求解流体质点速度，从而探索叶轮流场正问题计算方法。
　　2．以速度系数法确定叶轮基本尺寸以及轴面投影图，给定“S”型速度矩分布规律对叶片型线方程进行积分，完成初始叶轮设计。并以MATLAB为开发平台编写程序对初始叶轮进行正反问题迭代运算直到收敛，从而完成叶轮的最终设计。
　　3．采用PRO/E对所设计混流泵叶轮、蜗壳、进出口延长段进行三维建模和装配，将模型导入ICEM进行网格划分，结合CFX在不同工况下进行三维定常数值模拟，并作外特性分析。
　　4．以设计工况下定常计算结果为初始条件，选取该泵内部流道各监测点进行三维非定常数值模拟，并通过时域图和频域图研究其内部流场压力脉动特性。
　　通过以上工作得出如下结论：
　　1．根据定常模拟结果所得泵内流场流线图、静压云图可以看出，该泵在设计工况和小流量工况下流线光滑合理，静压分布均匀有对称性，内部流动比较平稳，通过与采用速度系数法设计的原型泵水力性能对比，新型泵在设计工况点效率有了提高。
　　2．在高比转速蜗壳式混流泵的水力设计过程中，采用“S”型速度矩沿流线的分布规律得到了合理的结果，为后续开展系列的高比转速蜗壳式混流泵的设计奠定了理论和方法基础。
　　3．通过非定常模拟所得泵流道内各监测点压力脉动特性表明，叶轮内流动比较复杂，并受到轴频和叶频双重影响，压力脉动周期性从叶轮进口到出口逐渐趋于稳定；蜗壳内叶频占主导地位，压力脉动波形稳定，周期性良好，振幅沿着蜗壳轮廓线从隔舌处往蜗壳出口方向依次减弱，并随径向距离的增加而衰减。
　　4．本文采用准正交面三元流动理论方法设计了高比转速蜗壳式混流泵，数值计算结果表明该方法使泵内部流场更接近其真实三维流场，可以更好地满足对高比转速蜗壳式混流泵稳定运行的要求。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 混流泵分类

1.3 国内外研究现状分析

1.4 本文主要内容

第二章 混流泵三元流动计算

2.1 泵内三元流动理论概述

2.2 三元流动计算基本方程

2.3 三元流动准正交面计算

2.4 本章小结

第三章 混流泵叶轮三元水力设计

3.1 概述

3.2 速度系数法设计初始叶轮

3.3 叶轮正反问题迭代程序设计

3.4 本章小节

第四章 高比转速蜗壳式混流泵定常流动数值模拟

4.1 概述

4.2 控制方程与湍流模型选择

4.3 计算模型建立及网格划分

4.4 数值模拟结果分析

4.5 本章小结

第五章 高比转速蜗壳式混流泵非定常流动数值模拟

5.1 概述

5.2 非定常计算基本设置

5.3 压力脉动分析方法

5.4 混流泵压力脉动特性分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

作者攻读硕士学位期间发表的论文