旋喷泵设计、大涡数值模拟及试验研究

摘要

旋喷泵是一种新型极低比转速单级离心泵，它流量小、扬程高、结构简单紧凑、维护方便、效率较其他常见低比转速泵高、流量特性曲线平稳光滑。主要应用于输送炭黑、食品行业冲洗系统以及油田高压注水等领域。国外对旋喷泵的研究及生产应用技术相对比较成熟，但研究报道却很少见。国内在旋喷泵的研究方面起步较晚，在设计和应用方面还存在很多不足。
　　 本文在综合分析国内外旋喷泵研究历史和现状的基础上，对旋喷泵的水力设计尤其是叶轮和集流管的水力设计进行了探讨，设计出了不同形式的旋喷泵模型，利用Pro/E对旋喷泵各过流部件进行三维造型。并利用ANSYS ICEM和CFX，采用大涡模拟方法，对旋喷泵内部非定常流场进行数值计算。根据数值计算结果，分析其内部流动规律及影响因素，并得到了性能较好的模型泵，最后按照性能较好的模型泵制造泵实型，进行试验验证。本文的主要内容包括以下几个方面：
　　 1、简要介绍了旋喷泵的工作原理、特点及国内外的研究发展概况，对旋喷泵的设计理论进行探讨，主要集中在叶轮和集流管的水力设计。并利用Pro/E软件进行各旋喷泵各过流部件的三维造型。
　　 2、利用ANSYS提供的网格划分软件ICEM进行网格划分，利用CFX对旋喷泵内部全流场进行了大涡数值模拟，根据数值模拟结果，对比分析了集流管进口形状和翼型对泵性能的影响，结果表明：集流管进口形状对集流管内部的压力和速度分布有重要影响；集流管翼型能有效改善转子腔内部的压力和速度分布，减少能量损失，可以提高泵的效率。通过对比分析得到性能较好的模型泵。
　　 3、对性能较好的模型泵内部的非定常流场在三种工况下的压力脉动特性进行时域和频域分析，发现泵内压力脉动最大处位于叶轮处出口处；叶轮转频是影响压力脉动的主要因素。
　　 4、对旋喷泵内部两相流动进行了初步分析和探讨，分析了两相流动时旋喷泵内部的流动特征和不同条件下固体颗粒对壁面的磨损情况。
　　 5、按性能较好模型泵制造泵实型，进行试验。并把试验所得到的数据和模拟的数据相对比，验证数值模拟的可靠性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号表

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 旋喷泵的工作原理及特点

1.3 旋喷泵国内外发展研究概况

1.4 本文的主要工作

第二章 旋喷泵水力设计及三维造型

2.1 叶轮水力设计

2.1.1 叶轮设计理论

2.1.2 复合叶轮的水力设计

2.2 集流管水力设计

2.3 旋喷泵设计计算及二维绘图

2.3.1 旋喷泵参数设计计算

2.3.2 旋喷泵过流部件的二维绘图

2.4 过流部件的三维造型

2.4.1 三维造型技术概述

2.4.2 过流部件的三维造型

第三章 湍流基本理论及数值模拟方法

3.1.湍流基本理论

3.1.1 湍流基本方程

3.1.2 湍流模型理论

3.2 湍流数值模拟

3.2.1 雷诺时均方法

3.2.2 直接数值模拟

3.2.3 大涡模拟

3.3 方程的离散及求解

3.4 边界条件

3.5 CFD及计算软件简介

第四章 旋喷泵内部流场数值模拟

4.1 模型建立与网格划分

4.2 计算方法及边界条件

4.3 过流部件的结构参数对泵性能的影响

4.3.1 集流管进口形状对泵性能的影响

4.3.2 翼型对转子腔内流动的影响

4.4 模型泵内非定常流场压力脉动

4.4.1 设计工况下模型泵内压力脉动分析

4.4.2 75％Q和125％Q工况下泵内压力脉动分析

第五章 旋喷泵内部两相流动数值模拟

5.1 计算模型及控制方程

5.1.1 固液两相流控制方程及磨损模型

5.1.2 边界条件

5.2 计算结果及分析

5.2.1 叶轮内的压力分析

5.2.2 不同质量流率下壁面磨损状况

第六章 旋喷泵的试验研究

6.1 泵的试验目的与内容

6.2 泵的试验装置

6.2.1 概述

6.2.2 参数测量系统

6.2.3 试验台布置

6.3 试验方法

6.4 试验数据处理及性能曲线分析

6.4.1 试验控制主界面

6.4.2 试验记录数据

6.4.3 试验结果

6.4.4对比分析

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