变转速工况下轴流泵内部流动特性的数值模拟研究

摘要

轴流泵广泛地在经济生产的各个层面得到应用，大量的市场需求对轴流泵运行的效率和稳定都提出了要求。如果想要扩大轴流泵的工况范围，提升其运行效率和可靠性，就有必要对其内部的流动情况做进一步的研究。本文为了研究变速调节下轴流泵的性能和内部流场特性，基于ANSYS CFX软件，采用k-ε模型对模型泵多个工况点进行了三维湍流数值计算，本文主要研究内容及所得结论如下:
　　1.采用Pro/E软件对选定的轴流泵模型进行实体建模，结构包括进水流道、叶轮、导叶、出水流道，并借助ANSYS ICEM对其流域进行网格划分。
　　2.三维定常计算得到了轴流泵的性能曲线和叶片表面的速度、压力分布。基于数值计算结果对轴流式模型泵性能和叶轮内部流场分析，结果表明:随着转速的增加，扬程曲线升高，效率曲线则随转速的降低而左移。在偏离设计工况的小流量区域，通过变速调节可以扩大轴流泵的高效工作区。
　　3.采用k-ε模型、均相模型和Rayleigh-Plesset空化模型，对模型泵的多个不同工况下的空化性能进行数值计算。对开始发生空化、临界空化点以及空化严重时的叶轮内空化情况进行分析，可以得到模型泵叶轮内空化发生的位置和空化发生时空泡体积分数分布情况。在叶片吸力面的轮毂附近和叶片外侧边缘处易发生气泡的聚积，空化较为剧烈时，靠近入口截面的流道受到比较大范围的堵塞，泵的能量性能严重下降。转速较低时，临界气蚀余量降低。
　　4.对模型泵进行边界涡量流的分析，结果表明，总体上叶片中部BVF值较低，叶片进出口的BVF值相对较高。且靠近进口区域的BVF变化比较剧烈，而靠近出口的BVF变化更加平缓。叶轮压力面的BVF分布要比吸力面状况更好。大流量工况下叶片进口处的正峰值区域的BVF值比设计工况和小流量时更大，这反映了大流量时叶轮对流体做功能力的降低。叶片进口区域的局部流动不良部位，需要进行优化。
　　5.在定常计算结果的基础上对模型泵进行非定常数值计算，分析了不同工况下各界面压力监测点的数据，利用Matlab软件对数据进行快速傅里叶变换，分析其时域和频域特性。结果表明在偏离设计工况的流量区域运行时，压力脉动各频率的幅值都远大于设计工况下的幅值。各监控点的脉动峰值由叶片外侧至轮毂方向逐步降低，在叶轮出口出现了低频脉动和高频脉动叠加出现的情况。在偏离设计工况的小流量区域，转速降低之后，压力脉动各个频域的幅值都逐步减小，压力脉动的高频组成部分逐渐消减，峰值区域的变化率也趋于平缓。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 目前国内外轴流泵的发展

1．2．2 变频调速系统的发展

1．3 本文主要研究内容

第二章 轴流泵内流场三维湍流数值模拟方法

2．1 轴流泵内部流动的计算方法

2．1．1 数值模拟发展阶段

2．1．2 湍流数值计算方法

2．2 多相计算模型

2．2．1 连续介质力学模型

2．2．2 气液两相的界面计算模型

2．3 本章小结

第三章 轴流泵内部三维定常流动数值模拟

3．1 定常数值模拟控制方程

3．1．1 控制方程

3．1．2 湍流模型

3．2 轴流泵三维造型及网格划分

3．2．1 Pro／Enginear中模型的建立

3．2．2 网格划分

3．2．3 网格无关性检查

3．2．4 进出口边界条件及壁面条件

3．2．5 交界面的设置

3．3 计算结果分析

3．3．1 模型泵外特性曲线对比

3．3．2 压力分布与速度分布对比

3．4 轴流泵内部流场空化特性数值模拟

3．4．1 空化的分类

3．4．2 控制方程

3．4．3 数值计算边界条件

3．4．4 数值计算结果分析

3．5 轴流泵内部流动的涡动力学诊断

3．5．1 涡动力学诊断的应用

3．5．2 涡动力学诊断的基本理论

3．5．3 计算结果分析

3．6 本章小结

第四章 轴流泵内部流场三维非定常数值模拟

4．1 流体非定常控制方程的求解方法

4．2 流体非定常求解过程的建立

4．3 数值计算结果和分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 研究结果与总结

5．2 研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文