高速离心泵小流量空化性能数值模拟与试验研究

摘要

本文在江苏省自然科学基金“离心泵叶轮进出口回流的生成机理及流动规律”(编号:BK2009218)和国家自然科学基金“离心泵内部非定常流动诱导振动和噪声机理研究”(编号:50979034)的项目支持下开展工作。
　　 高速离心泵具有扬程高、结构紧凑、可靠性好等优点，在石油化工、航天领域得到了广泛应用。随着转速的提高，高速泵比普通离心泵更容易发生空化，因此对高速泵空化性能的要求也越来越高。
　　 目前，对高速离心泵优化设计、数值模拟、振动方面的研究较多，而对小流量下空化性能的研究较少。高速离心泵在小流量工况下运行时，叶轮进口存在回流，该处的局部压力会低于液体汽化压力，造成初生空化，进一步发展成为强烈的低频空化。本文采用仿真软件CFX进行数值模拟，对IN-32-32-100高速泵的空化特性进行了理论分析及试验研究，主要研究内容和成果如下:
　　 1.总结了小流量工况下空化的国内外发展现状，及在空化性能诊断、预测方面的研究进展。对离心泵的空化理论进行了分析，指出了在空化研究中存在的不足之处。
　　 2.本文采用加大流量设计法设计了两种叶轮:6叶片叶轮方案和4长4短带分流叶片叶轮方案，并以此为研究对象进行研究。应用CFX对多工况下运行的高速离心泵进行数值计算，预测其性能并分析空化与回流的关系。
　　 3.采用进口总压、质量流量出口的边界条件进行空化性能数值模拟，分析小流量工况下叶轮内部的速度、压力场分布，以及发生空化时流道内空泡体积的变化规律。研究表明:随着进口压力的降低，泵流道内的空泡体积分数逐渐增大，在叶片进口位置首先聚集，沿着半径方向，体积分数逐渐降低。6叶片的叶轮方案比4长4短带分流叶片的叶轮方案空化性能好。
　　 4.在定常空化计算的基础上，用CFX进行非定常空化计算，考虑了时间对空化的影响，对高速离心泵进行小流量工况下的空化性能数值模拟。结果表明:不同时刻空泡在流道中体积分数不同，空泡具有从初生到发展以及溃灭的周期性变化规律。
　　 5.搭建高速泵的空化性能试验台。对带分流叶片和不带分流叶片叶轮方案的高速离心泵进行空化性能试验，验证CFX模拟的准确性。采用调节入口阀门的方法使高速泵叶轮进口处的压力减小，使其发生空化。结果表明:试验结果得到的两种叶轮方案的临界空化余量分别为3.2m、3.55m，数值模拟与试验结果值接近，可准确预测到高速泵小流量工况下的空化演变过程。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．2 高速离心泵的研究现状

1．2．1 国内发展现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 小流量工况下空化的研究现状

1．3．1 国内发展现状

1．3．2 国外研究现状

1．4 空化内在机理

1．5 改善高速泵空化性能的措施

1．6 本文研究的主要内容

第2章 高速离心泵的水力设计

2．1 高速泵的设计参数

2．2 叶轮的水力设计

2．2．1 全叶片叶轮的水力设计

2．2．2 带分流叶片叶轮的水力设计

2．3 压水室的水力设计

2．3．1 基圆直径D3

2．3．2 进口宽度b3

2．3．3 隔舌安放角φ0

2．4 本章小结

第3章 高速离心泵数值模拟的模型选择及性能预测

3．1 概述

3．2 湍流模型

3．2．1 标准k-ε模型

3．2．2 RNG k-ε模型

3．3 空化模型

3．4 几何造型及网格划分

3．5 高速泵多工况数值模拟

3．5．1 性能预测

3．5．2 数值模拟结果分析

3．6 模拟结果与试验的对比

3．7 本章小结

第4章 小流量下高速离心泵内部空化流动数值模拟

4．1 空化特性定常数值模拟及其结果分析

4．1．1 流道中截面的压力分布

4．1．2 叶轮流道中截面的空泡分布

4．2 高速泵小流量工况非定常空化计算

4．2．1 非定常计算模型设置

4．2．2 高速泵流道中空泡随时间变化规律

4．3 本章小结

第5章 高速离心泵空化性能试验研究

5．1 试验目的与试验原理

5．1．1 试验目的

5．1．2 实验原理

5．2 试验内容

5．3 试验结果分析

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的相关论文