潜水轴流泵特性试验研究与数值模拟

摘要

轴流泵流量大、扬程低，广泛应用于农田灌溉、大中型泵站、工业用水等多个领域。潜水轴流泵不仅具有普通轴流泵的特点，而且结构简单、可靠性高。我国已研制出许多成熟的优秀轴流泵水力模型，但其中同步转速达到3000 r/min,比转速偏低的较少，因此需要对其进行研发。针对这个情况，本文从设计方法出发，探讨提高转速后，现有轴流泵叶轮设计方法的适用性，并通过试验测试和数值模拟两种方法深入研究较高转速潜水轴流泵的性能特点及内部流场特性，为研发高性能轴流泵水力模型提供依据。
　　 本文的主要研究工作及结论如下：
　　 1.自行研制转速2900 r/min,比转速550的轴流式模型泵：分别采用升力系数法和圆弧法设计模型泵叶轮，将叶轮轮毂设计成锥形，采用流线法设计导叶。
　　 2.利用Pro/E、ICEM分别对泵流道进行三维实体造型和非结构网格划分，基于CFX，应用标准k-ε湍流模型，分别对两种方法设计的模型泵进行内部流场数值模拟，得到最优工况性能参数。即升力系数法：流量79 m3/h，扬程3.82 m，效率73.57％；圆弧法：流量90 m3/h，扬程4.55 m，效率83.11％。结果表明：采用圆弧法设计的模型泵性能相对较好。
　　 3.对采用圆弧法设计的模型泵完成样机试制并进行性能试验研究。试验得到其最优工况性能：流量91.53 m3/h，扬程4.36 m，效率82.14％，基本与设计工况吻合；对比分析试验与数值模拟结果，在设计工况下，流量相对误差为-1.67％，扬程相对误差为4.36％，效率相对误差为1.18％。这表明，在潜水轴流泵性能预测方面，标准k-ε湍流模型数值模拟己达到一定的准确度。
　　 4.对模型泵进行变转速和变叶片厚度性能试验。结果表明：1）随着转速增加，轴流泵扬程、轴功率变化较大，最优工况点向大流量偏移，但最高效率值变化相对较小，这表明轴流泵适合采用变转速方法进行运行工况及性能调节；2）在设计工况和大流量工况下，薄叶片泵性能较优；在小流量工况下，厚叶片泵性能较优。这表明，当泵运行在设计工况附近，在满足强度要求的条件下，叶片越薄泵性能越好。
　　 5.对模型泵变转速及变叶片厚度流场进行数值模拟。结果表明:1）在同一流量工况下，叶片表面压力随转速的增大而升高，转速越大，压力等值线越稀疏；2）在设计工况和大流量工况下，厚叶片进出口区域压力等值线密集，压力梯度大，流动紊乱，液流撞击严重，水力损失较大；在小流量工况下，叶片表面压力等值线相对密集，背面压力等值线发生扭曲，出口产生回流及二次流，厚叶片的变化更剧烈；3）数值模拟内部流场特性与试验外特性基本一致。
　　 因为潜水轴流泵的工作原理与普通轴流泵工作在倒灌状态下时是相同的，所以研究结果可推广至普通轴流泵。

目录

文摘

英文文摘

符号表

第一章 绪论

1.1 轴流泵概述

1.1.1 轴流泵的工作原理及工作特性

1.2 轴流泵国内外研究现状

1.2.1 数值模拟方面

1.2.2 实验及理论分析方面

1.3 本文研究意义及主要工作

1.3.1 本文研究目的和意义

1.3.2 主要工作

第二章 轴流式模型泵水力设计

2.1 轴流泵水力设计方法简介

2.2 模型泵升力系数法叶轮水力设计

2.3 模型泵圆弧法叶轮水力设计

2.3.1 圆弧法基本原理与思想

2.3.2 圆弧法的具体设计步骤

2.4 模型泵导叶设计

2.5 模型泵结构设计

2.6 本章小结

第三章 模型泵CFD性能预测

3.1 模型泵三维造型与网格生成

3.1.1 轴流式模型泵三维造型

3.1.2 计算域网格生成

3.1.3 网格无关性检验

3.2 湍流计算方法与湍流模型

3.2.1 湍流基本方程

3.2.2 湍流数值模拟方法及湍流模型

3.3 求解方法及边界条件

3.3.1 求解方法

3.3.2 动静计算域交界面的处理

3.3.3 边界条件

3.4 CFD计算程序及计算软件简介

3.5 计算结果及分析

3.5.1 预测模型的建立

3.5.2 预测结果与分析

3.6 本章小结

第四章 模型泵外特性试验研究

4.1 电机型式试验

4.1.1 试验装置

4.1.2 实验数据及结果

4.2 模型泵性能试验

4.2.1 试验装置及试验系统组成

4.2.2 实验内容与方法

4.3 试验结果及分析

4.3.1 试验控制主界面及数据记录

4.3.2 试验数据处理及结果分析

4.3.3 数值模拟结果与试验对比分析

4.4 本章小结

第五章轴流泵变转速及变叶片厚度性能试验

5.1 转速对轴流泵性能影响试验研究

5.1.1 轴流泵变转速性能试验

5.1.2 试验结果与分析

5.2 叶片厚度变化对轴流泵性能影响试验研究

5.2.1 轴流泵变叶片厚度性能试验

5.2.2 试验结果及分析

5.3 本章小结

第六章轴流泵变转速及变叶片厚度流场数值模拟

6.1 轴流泵变转速内部流场数值模拟

6.1.1 计算工况

6.1.2 计算结果及分析

6.2 轴流泵叶片厚度对泵内流场的影响

6.2.1 计算工况

6.2.2 计算结果及分析

6.3 本章小结

第七章总结与展望

7.1 主要工作及结论

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

附录A模型泵变转速性能数据

附录B加厚叶片模型泵性能数据