外混式自吸喷灌泵非定常数值模拟及回流阀系统研究

摘要

本课题系国家高新技术研究发展(863计划)项目“变量喷洒低能耗轻小型灌溉机组”(编号：2006AA100211)部分内容。
　　 自吸喷灌泵是节水喷灌系统的重要设备。外混式自吸喷灌泵因其运行可靠，自吸时间短，受广大用户欢迎。但外混式自吸喷灌泵大多数不使用回流阀，效率低；有些即使使用回流阀，也存在关闭不严等问题，同样影响效率。本文从回流阀对外混式自吸喷灌泵效率的影响出发，设计了外混式自吸喷灌泵水力模型，通过CFD数值模拟、理论分析和试验研究等方法，对回流阀进行深入的研究，提出了回流阀的优化设计方案。本文主要研究工作和研究成果如下：
　　 1.外混式自吸喷灌泵的水力设计。以一元理论为基础，对外混式自吸喷灌泵叶轮、蜗壳、回流孔、储液室、气液分离室等进行水力设计。并进行样机的试验研究。
　　 2.外混式自吸喷灌泵数值模拟。运用FLUENT软件对回流孔未完全关闭(模型1)和回流孔完全关闭(模型2)两种模型进行三维定常和非定常数值模拟。模拟结果揭示了外混式自吸喷灌泵内受叶轮.蜗壳动静干涉引起的非定常流动特性。蜗壳1-8断面和回流阀附近共26个监测点的压力脉动形式基本一致。第5断面回流孔处和回流阀附近监测点压力脉动峰值与静压均值的偏差最小，偏差值为1.3％～2.5％。从压力脉动影响回流阀稳定性的方面来考虑，应将回流孔布置在从隔舌起沿叶轮旋转方向200°～220°之间。
　　 3.压力脉动试验。采用压力传感器与虚拟仪器(LabVIEW)测量了外混式自吸喷灌泵第3、5(回流孔所处位置)、7断面处的压力变化规律以及泵自吸启动过程中的压力变化。试验结果表明了，三个断面的压力变化趋势与模拟结果相一致，且第5断面回流孔处压力脉动峰值与静压均值的偏差最小，偏差值为4％。结合非定常模拟结果和压力脉动试验结果，表明了将回流孔设置在第5断面处是正确的。
　　 4.碗式回流阀力学分析。通过理论和试验相结合的方法，分析了外混式自吸喷灌泵在自吸过程和正常运行时碗式回流阀的受力情况，提出了碗式回流阀的受力计算公式。运用ANSYS软件对碗式回流阀进行了有限元计算，得到了外混式自吸喷灌泵在自吸过程和正常运行时碗式回流阀的位移变化及应力分布。有限元计算结果表明了，泵自吸时，该碗式回流阀变形较小，不会关闭回流孔；泵正常运行时，该碗式回流阀轴向位移为13.582mm，已经自动关闭回流孔。
　　 5.外混式自吸喷灌泵水力模型试验。在自动堵回流孔和人工堵回流孔两种情况下对65ZB-40C型自吸喷灌泵进行了水力性能试验。试验结果表明两种情况下交点处的效率差仅为0.95％。由此可判断该碗式回流阀密封效果较好，与有限元分析结果相一致。在有限元分析和试验研究的基础上，提出了该碗式回流阀的优化设计方案。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 本文研究的背景、目的及意义

1.2 自吸喷灌泵的研究现状及发展趋势

1.2.1 国内外自吸喷灌泵概述

1.2.2 外混式自吸喷灌泵研究现状

1.2.3 外混式自吸喷灌泵存在的问题及发展趋势

1.3 本文研究的主要内容

第二章 外混式自吸喷灌泵的水力设计

2.1 概述

2.2 叶轮的水力设计

2.3 蜗壳的水力设计

2.4 储液室和气液分离室容积的设计

第三章 泵三维定常数值计算及性能预测

3.1.概述

3.2 外混式自吸喷灌泵的三维造型

3.3 网格生成技术

3.4 泵内部流动控制方程

3.5 三维湍流模型

3.6 控制方程的离散及计算方法的选择

3.6.1 控制方程的离散

3.6.2 计算方法的选择

3.7 计算结果分析

3.7.1 速度场的分布

3.7.2 压力场的分布

3.7.3 湍动能k的分布

3.8 预测性能曲线和试验性能曲线的对比

3.8.1 预测值的计算方法

3.8.2 预测值与试验值的对比及结果分析

第四章 泵蜗壳和碗式回流阀处的压力脉动数值计算及压力脉动试验

4.1 RNG k-ε湍流模型

4.2 滑移网格技术

4.3 非定常计算结果及分析

4.3.1 计算收敛过程

4.3.2 设计工况下压力脉动分析

4.4 压力脉动试验及结果分析

4.4.1 试验装置与试验步骤

4.4.2 试验结果分析

第五章 碗式回流阀的力学分析及水力性能试验

5.1 概述

5.2 碗式回流阀力学理论分析

5.3 外混式自吸喷灌泵自吸过程的测压试验

5.3.1 试验方案

5.3.2 试验结果及分析

5.4 碗式回流阀的有限元分析

5.4.1 碗式回流阀参数确定

5.4.2 碗式回流阀的有限元计算及结果分析

5.5 外混式自吸喷灌泵水力模型的试验研究

5.5.1 试验目的

5.5.2 试验条件

5.5.3 外混式自吸喷灌泵水力模型试验

5.5.4 试验结果对比

5.6 碗式回流阀优化方案

第六章 总结与展望

6.1 研究总结

6.2 研究展望

参考文献

致 谢

作者攻读硕士学位期间取得的科研成果