矩形迷宫螺旋泵的理论设计、CFD数值计算及试验研究

摘要

迷宫螺旋泵是在迷宫螺旋密封的机理上发展而来的新型流体机械产品，具有小流量、高扬程、低比转速的突出特点，填补了常规泵类产品的性能空白区，拓宽了流体机械的应用范围。 目前，新型迷宫螺旋泵的研究在国内还刚刚起步，本文所设计的矩形迷宫螺旋泵是其中的一种，鉴于目前理论体系还不成熟的情况下，主要进行了以下几个方面的工作：(1)理论设计：对迷宫螺旋槽的选型及螺纹参数选取做了研究；在相关文献的基础上，确定了设计方法，进行了水力设计计算；设计模型泵结构，绘制零件加工图；(2)CFD数值计算：通过PRO/E进行了流道的三维实体造型，采用GAMBIT完成网格划分；利用流场计算软件FLUENT，采用雷诺平均N-S方程和标准RNGk-ε湍流模型，运用基于非结构网格的SIMPLEC算法，在清水状态下，对泵内流场进行了三维湍流数值模拟，得到了内部流动特征；采用FLUENT计算进行水力性能预测，得到了外特性变化规律；(3)试验研究：确定试验方案、绘制装置图、搭建性能试验台；进行变转速性能试验，分析特性曲线，验证比例定律。 通过试验研究，验证了矩形迷宫螺旋泵的设计方法的合理性，同时，与数值计算结果比较，肯定了所选模型及计算方法的正确性。由于受各种条件所限，本文所做研究还不完善，但所得结论具有普遍意义，以期对今后同类产品的开发、设计具有参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2迷宫螺旋密封及迷宫螺旋泵的研究现状

1.2.1发展概述

1.2.2国外研究现状：

1.2.3国内研究现状

1.3本课题的研究思路以及预期效果

1.3.1研究思路

1.3.2预期效果

1.4本课题存在的问题以及解决方案

1.5解决问题的关键

第二章迷宫螺旋泵结构设计及流道实体造型

2.1原理及应用

2.1.1基本工作原理

2.1.2特点及应用范围

2.1.3设计结构

2.2螺旋槽的选型研究

2.3主要性能参数

2.3.1流量

2.3.2理论扬程

2.3.3其它性能参数

2.4螺纹参数的选取

2.4.1螺旋升角α的选取

2.4.2螺纹槽深t的选取

2.4.3转子、定子之间间隙c的选取

2.4.4螺槽宽b与螺棱宽a的比值λ=b/a的研究

2.4.5螺旋体长度L

2.4.6螺纹头数Z

2.5模型泵水力设计

2.5.1进、出口直径及比转速

2.5.2螺旋转子几何参数计算

2.5.3螺旋定子几何参数计算

2.6三维实体造型

2.7本章小结

第三章迷宫螺旋泵内部流动数值模拟

3.1 CFD基础知识

3.1.1技术概述

3.1.2数值模拟步骤

3.1.3 CFD的主要优点

3.1.4 FLUENT简介

3.2湍流理论

3.2.1三维湍流的数值模拟方法及湍流模型

3.2.2湍流基本方程

3.2.3湍流模型及RNG k-ε模型控制方程

3.3数值计算方法

3.3.1有限体积法

3.3.2控制方程离散

3.3.3基于非结构网格的SIMPLEC算法

3.4网格的生成技术

3.4.1概述

3.4.2网格生成方法

3.4.3迷宫泵内部流动区域网格生成

3.5边界条件

3.5.1进口边界条件

3.5.2出口边界条件

3.5.3固壁边界条件

3.6模拟结果及分析

3.6.1数值计算结果

3.6.2结果分析

3.7数值模拟具体步骤

3.8 CFD性能预测

3.8.1建立预测模型

3.8.2数据整理及结果分析

3.9本章小结

第四章矩形迷宫螺旋泵实验研究

4.1概述

4.2试验系统

4.2.1试验装置

4.2.2参数测量系统

4.3试验内容和方法

4.3.1试验内容

4.3.2试验方法

4.4特性试验

4.4.1设计参数下试验数据

4.4.2 CFD模拟结果与试验结果对比

4.4.3变转速特性试验

4.4.4性能曲线绘制

4.4.5试验结果分析

4.4.6结论

4.5相似理论研究

4.5.1比例定律

4.5.2相似抛物线

4.5.3比例定律的验证

4.6本章小结

第五章结论与展望

5.1全文总结

5.2 工作展望

参考文献

在读学位期间发表的论文

致 谢

附 录