双流道泵内非定常三维湍流数值模拟及PIV测试

摘要

随着社会进步和科技发展，人们对泵的高效率、稳定性和低噪声等方面提出了更苛刻的要求。鉴于计算机技术的飞速发展和CFD方法的日趋成熟，CFD将在叶轮机械设计和研究领域中扮演更重要的角色。本文的工作主要围绕数值模拟程序的建立、双流道泵内非定常三维湍流的数值模拟、利用先进的PIV技术研究双流道泵叶轮内部的复杂流动而展开。主要工作及创造性成果如下： 1.发展了一套基于微分方程法生成三维结构化贴体网格的程序。所用微分方程为Poisson方程，并采用Thompson和Sorenson的思想，以指数函数作内插传递、根据网格正交性和间距的要求构造源函数P，Q，R。用该程序生成的双流道泵叶轮和蜗壳网格，品质良好，能够满足双流道泵内流计算精度的要求，且网格疏密度可人为控制，网格线与边界线正交，便于湍流壁面条件的引入。该网格生成程序经改进也可用于其他非规则几何形状流道网格的自动生成。 2.开发了一套基于求解Reynolds时均化的Navier-Stokes方程组的、可用于层流或湍流、可压缩或不可压缩、旋转或非旋转三维流动的数值计算程序，并在Visual FORTRAN平台上开发了该程序的用户操作界面。在其中应用了基于同位网格系统的SIMPI正算法，并利用Rhie和Chow提出的动量插值法消除同位网格上可能出现的波形压力场。对于湍流时均流场的数值模拟，程序中包括标准K-两方程模型以及考虑旋转与曲率修正的K-模型。用该程序依次计算了0弯管、双流道泵叶轮和蜗壳内的流动，并与FUYENT计算结果对比研究，表明所开发的程序具有较高的可靠性、流场模拟的准确性以及处理各类问题的灵活性。 3.利用FLUENT软件对双流道泵全流道内非定常三维湍流进行了数值模拟，从不同层面较全面地揭示了双流道泵全流道内的绝对速度、相对速度、静压、总压、湍动能和固相体积浓度分布规律；分析了双流道泵全流道内固.液两相流场随颗粒直径和颗粒体积浓度的变化规律；揭示了双流道泵内受叶轮.蜗壳动静干涉引起的非定常流动特性。主要结论有： (1)同一工况下，叶轮流道内不同截面上速度分布不同，靠近前盖板侧的截面受叶轮进口有旋流动影响大，流动相对紊乱，叶轮出口边上速度分布最不均，靠近后盖板侧的截面受叶轮进口有旋流动影响小，流动相对规律，叶轮出口边上速度分布最为均匀。 (2)不同流量工况下，双流道泵内速度场和压力场分布规律类似，但是，随着流量的增加叶轮流道内相对速度增大、绝对速度减小，流道进出口总压差逐渐降低。设计工况下，双流道泵的内部流态最好。 (3)固.液两相流场中，固相体积浓度分布不均。叶轮进口处颗粒分布还比较均匀，随着流动的发展，颗粒在向外运动的同时，严重偏向叶轮工作面和后盖板，进入蜗壳流道后，少部分颗粒能直接从蜗壳出口流出，大部分颗粒撞击蜗壳壁面，留在蜗壳内转动数圈才能流出。颗粒浓度变化对固相的离析作用影响相对不大，但是，颗粒体积浓度较小时，颗粒有向流道吸力面迁移的趋势。颗粒直径变化对固相的离析作用影响较大，粒径越大，流道内颗粒分布越不均匀，固相的离析作用越明显。在本文所研究的粒径和浓度范围内，双流道泵的扬程随颗粒浓度的增加而减小，粒径变化对扬程的影响不明显。 (4)考虑叶轮和蜗壳的动静干涉作用，不同时刻双流道泵的内部流动呈现不同特点。当叶道旋转至靠近蜗壳出口侧时，速度和压力分布规律性强；当叶道旋转至远离蜗壳出口侧时，流体流动受阻，叶轮出口明显有回流。随着叶道相对隔舌位置的不同，蜗壳内静压和总压分布呈周期性变化，每个叶片的尾部在蜗壳内的总压分布图上留下了明显的尾迹区。 4.构建了离心泵专用PFV测试台，设计制作了满足PFV测试要求的模型泵，模型泵的叶轮有双流道和双叶片两种形式。首次用PFV技术对设计工况与非设计工况下双流道叶轮及双叶片叶轮的内部流动分别进行了测量，并自编程序对测量得到的绝对速度场进行处理，得到相对速度分布。结果表明：与双叶片叶轮相比，双流道叶轮流道内脱流.旋涡区的范围较小，流态更好；PFV测试结果与自编程序和FLUENT软件数值模拟结果基本一致。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号说明

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2叶轮机械内部流动测试研究进展

1.2.1概述

1.2.2传统流动显示技术

1.2.3热线风速仪

1.2.4激光测速技术

1.2.5 PIV技术

1.3叶轮机械内流数值模拟研究进展

1.3.1概述

1.3.2数值模拟方法的发展阶段

1.3.3数值模拟面临的关键问题

1.4双流道泵的研究现状

1.5本文的研究工作

第二章控制方程及湍流模型

2.1计算约束方程：N-S方程

2.2 Reynolds时均化的N-S方程

2.3封闭问题及湍流模型

2.4壁面函数法

2.5贴体坐标系的引入

2.6贴体坐标系下的控制方程

2.7本章小结

第三章方程离散及计算方法

3.1控制方程的展开形式

3.2控制方程的离散

3.2.1有限体积法

3.2.2几何因子的离散

3.2.3对流项的离散

3.2.4扩散项的离散

3.2.5源项的离散

3.3代数方程的求解方法

3.3.1 TDMA算法

3.3.2松弛因子

3.4离散格式

3.4.1对流项的差分格式

3.4.2扩散项的差分格式

3.4.3混合差分格式

3.5速度场和压力场的耦合

3.5.1 SIMPLE算法的基本思想及应用

3.5.2同位网格下的压力修正

3.6离散后控制方程的求解步骤

3.7本章小结

第四章网格生成

4.1概述

4.2贴体网格微分方程生成法

4.2.1二维网格生成

4.2.2三维网格生成

4.2.3网格分块拼接技术

4.3网格生成结果及讨论

4.4本章小结

第五章计算程序编写及分析验证

5.1计算程序编写

5.2 90°弯管内流数值计算

5.2.1边界条件

5.2.2计算结果及分析

5.3双流道叶轮单个流道内流数值计算

5.3.1边界条件

5.3.2标准k-ε模型的修正

5.3.3计算结果及分析

5.4双流道泵蜗壳内流数值计算

5.4.1边界条件

5.4.2计算结果及分析

5.5本章小结

第六章双流道泵全流道内三维湍流数值模拟

6.1双流道泵的基本参数

6.2网格划分

6.3双流道泵全流道内定常湍流数值模拟

6.3.1基本假设

6.3.2边界条件

6.3.3 RNG k-ε湍流模型

6.3.4计算结果及分析

6.4双流道泵全流道内固-液两相湍流数值模拟

6.4.1基本假设

6.4.2计算模型

6.4.3计算区域及网格划分

6.4.4边界条件

6.4.5计算结果及分析

6.5双流道泵全流道内非定常湍流数值模拟

6.5.1基本假设

6.5.2滑移网格技术

6.5.3 PISO算法

6.5.4计算结果及分析

6.6本章小结

第七章双流道泵叶轮内三维湍流PIV实验研究

7.1 PIV测试技术

7.1.1 PIV基本原理

7.1.2 PIV测速系统

7.1.3示踪粒子的选择

7.1.4 PIV测量遵循的原则及参数设定

7.2双流道叶轮及双叶片叶轮内部流场的PIV测量

7.2.1试验用泵

7.2.2实验装置

7.2.3实验步骤

7.3试验结果与分析

7.3.1实验结果

7.3.2分析与讨论

7.4本章小结

第八章总结与展望

8.1研究总结

8.2研究展望

参考文献

作者在攻读博士学位期间取得的相关科研成果

致谢