梯形迷宫螺旋泵内部流场的大涡模拟及实验研究

摘要

迷宫螺旋泵以其小流量，高扬程，低比转速等特点，广泛应用于石化、航天、冶金、制药等工业部门，填补了常规泵类产品的性能空白区，同时增大了流体机械输送腐蚀性、放射性及含固态颗粒的流体介质的能力。但该泵的设计至今仍不成熟，泵内部流场和特性试验数据的分析是基于叶片泵和未经理论分析的经验公式，不确定性因素还很多。因此，进一步研究迷宫螺旋泵具有重要的理论意义和参考价值。
　　 鉴于迷宫螺旋泵内部流场的复杂性等原因，本课题将采用理论分析、数值计算和实验研究三种方法，深入分析梯形迷宫螺旋泵的流动特性和脉动规律，并通过实验验证其研究的正确性和可靠性，为实际工程设计和应用提供参考。本文的工作内容如下:
　　 1.总结迷宫螺旋泵的国内外研究现状及结构特点，在此基础上根据设计参数完成了梯形迷宫螺旋泵的结构和零件设计，然后根据流体力学和流体机械原理等相关专业知识，确定了采取CFX数值模拟和实验研究方法的基本思路。
　　 2.运用Pro/E三维造型软件对梯形迷宫螺旋泵模型泵内各个过流部件进行建模，然后采用ANSYS自带的ICEM软件进行网格划分。通过对迷宫螺旋泵流道特性和CFX湍流模型进行分析探讨，最后采用大涡模拟对以清水和机械油为工质的流场进行数值模拟计算，采用标准k-ε模型对气液两相流体工质流场进行数值模拟计算。通过分析计算结果得到梯形迷宫螺旋泵内湍流流动的速度和压力分布、脉动规律及气液体积分布特性，并通过不同流量工况的模拟结果进行性能预测，详细而准确的揭示模型泵内部流动特征，为以后对迷宫螺旋泵进行理论分析和设计优化提供了参考。
　　 3.安装建立实验测量装置，在试验台上对以清水和机械油为工质的流体进行梯形迷宫螺旋泵的性能测试实验，通过绘制特性曲线，进行结果分析，检验设计理论结果和大涡模拟的正确性和可靠性。
　　 通过数值模拟和试验研究，验证了梯形迷宫螺旋泵的设计方法的合理性。因受各种条件的制约，本文所做研究尚不完善，希望能对以后同类产品的研究与开发提供参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 迷宫螺旋密封的研究概况

1．2．2 迷宫螺旋泵的设计与研究现状

1．3 本文工作

1．4 本章小结

第二章 梯形迷宫螺旋泵模型泵的设计及三维造型

2．1 原理及应用

2．1．1 工作原理

2．1．2 特点及应用

2．2 水力设计

2．2．1 进、出口直径

2．2．2 转定子几何参数

2．2．3 模型泵结构设计

2．3 性能参数

2．3．1 流量

2．3．2 扬程

2．3．3 功率

2．3．4 效率

2．4 模型泵的三维造型

2．4．1 造型方法

2．4．2 三维流道造型

2．5 本章小结

第三章 网格划分及数值模拟方法

3．1 CFX简介

3．1．1 CFX软件概述

3．1．2 CFX软件的特点

3．2 网格生成技术

3．2．1 技术概述

3．2．2 模型泵计算区域网格生成

3．2．3 网格无关性检验

3．3 湍流理论

3．3．1 湍流基本方程

3．3．2 湍流模型

3．3．3 标准K-ε模型

3．3．4 大涡模拟

3．4 两相流模拟理论

3．4．1 两相流模型

3．4．2 两相流数值模拟方法

3．5 本章小结

第四章 梯形迷宫螺旋泵内部流场的大涡模拟

4．1 计算方法及边界条件

4．1．1 模拟方法的选择

4．1．2 边界条件

4．1．3 初始条件设定

4．1．4 计算结果收敛性判定

4．2 定常清水计算结果分析

4．2．1 压力场特性

4．2．2 速度场特性

4．2．3 湍流动能特性

4．3 非定常清水计算结果分析

4．3．1 瞬时静压分析

4．3．2 瞬时扬程分析

4．4 泵内脉动特性分析

4．4．1 进口锥形管脉动分析

4．4．2 螺旋段入口脉动分析

4．4．3 螺旋段出口脉动分析

4．4．4 出口蜗壳脉动分析

4．4．5 不同工况压力脉动分析

4．5 不同粘度液体计算结果分析

4．5．1 压力场对比

4．5．2 速度场对比

4．5．3 湍流动能对比

4．6 不同粘度液体时的性能预测

4．6．1 预测模型

4．6．2 预测结果分析

4．7 本章小结

第五章 梯形迷宫螺旋泵内部气液两相流场数值模拟

5．1 计算方法及边界条件

5．1．1 模型的建立

5．1．2 气液两相流控制方程

5．1．3 边界条件

5．2 计算结果分析

5．2．1 静压分布

5．2．2 速度分布

5．2．3 含气率分布

5．2．4 不同泡径时含气率对比

5．2．5 不同进气量时含气率对比

5．3 不同进气量工况下的性能预测

5．4 本章小结

第六章 梯形迷宫螺旋泵实验研究

6．1 实验目的与实验内容

6．1．1 实验目的

6．1．2 实验内容

6．2 实验装置及试验台

6．2．1 模型泵

6．2．2 参数测量仪器

6．2．3 试验台

6．3 实验步骤

6．4 实验数据处理及分析

6．5 CFX计算与实验结果对比

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文工作总结

7．2 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