高比转速混流泵内部流场数值模拟与性能预测

摘要

随着国民经济的飞速发展以及日益苛刻的能源与环境要求，人们对泵这一应用广泛的通用机械的性能提出了越来越高的要求。对叶轮、导叶及涡壳等过流部件进行合理的设计，可以改变内部流场的速度和压力分布，达到提高泵水力性能的目的。 本文首次将吸入室、叶轮、导叶体和出水弯管四个过流部件耦合起来作为一个整体，变换可调叶片的安放角，模拟不同流量工况下混流泵内三维不可压湍流场,分析高比转速混流泵的内部流动特性，揭示其内部流动的主要特征，并通过分析流场中的冲击、二次回流等流动现象，研究其内部流动现象的物理本质，为高比转速混流泵的优化设计及性能改进提供理论依据。 本文的主要工作及研究成果包括： 1．简要介绍了国内外混流泵的研究现状、高比转速混流泵的特点以及江苏大学流体中心研究开发的211-80模型泵；并对流场计算的控制方程及其离散求解方法、网格生成技术等进行了探讨。 2．应用Pro/Engineer软件对211-80模型泵整体进行三维造型；应用专业前处理软件Gambit对该混流泵内流整体计算域进行网格划分；选用标准k-ε湍流模型，利用有限控制体积法对雷诺平均的Navier-Stokes方程进行数值离散，采用SIMPLEC算法求解，对211-80混流泵模型内部三维湍流场在不同叶片安放角和不同流量工况下进行数值模拟。 3．分析了211-80高比转速混流泵的内部流动特性，给出了直观的泵内流场整体静压分布、叶轮叶片静压分布，得出叶片工作面静压的最大、最小值随流量的增大近似线性递减这一结论；给出泵内流场整体速度矢量分布，直观描述了叶片和导叶进口处的流动冲击现象，计算得到叶轮叶片工作面的绝对速度分布等值线图，速度分布和变化符合混流泵叶轮内流动的一般规律；捕捉到各叶片安放角下小流量工况时，导叶进口处的二次回流现象，验证了通过调节叶片安放角可以有效地防止二次回流现象的发生；给出叶轮叶片湍动能、湍流耗散率和湍流强度图，直观地反映出三者的最大值均出现在叶片进口处的同一位置。 4．给出了211-80混流泵模型各叶片安放角下的最优工况位置，介绍了扬程、轴功率和水力效率预测值的计算方法和公式；做出各叶片安放角下计算和试验的泵外特性曲线，结果表明计算值与试验结果基本一致，预测的精度较高，在极大流量工况点处由于流场湍流程度的进一步加剧，导致预测误差较大。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

引言

1.1混流泵研究现状及发展趋势

1.1.1混流泵概述

1.1.2混流泵研究现状

1.1.3高比转速混流泵

1.2本文研究的主要内容及意义

1.2.1研究目的及意义

1.2.2研究的主要内容

第2章混流泵内部流场计算基本理论与方法

2.1计算流体力学概述

2.1.1基本思想

2.1.2研究步骤

2.2控制方程、湍流模型和边界条件

2.2.1控制方程

2.2.2湍流模型

2.2.3边界条件

2.3控制方程离散方法与数值解法

2.3.1控制方程离散方法

2.3.2流场计算数值解法

2.4网格生成技术

2.4.1网格生成技术概述

2.4.2贴体计算网格技术

2.4.3非结构化网格技术

2.5本章小结

第3章高比转速混流泵内流特性的数值研究

3.1引言

3.2高比转速混流泵主要参数与计算工况

3.2.1结构与主要参数

3.2.2计算工况点

3.3高比转速混流泵三维实体造型

3.3.1叶轮

3.3.2导叶体

3.4高比转速混流泵计算域网格划分

3.5高比转速混流泵内流特性的数值研究

3.5.1泵内流场整体静压分布

3.5.2叶轮叶片静压分布

3.5.3泵内流场速度分布

3.5.4流场中的二次回流

3.5.5湍动能、湍流耗散率和湍流强度

3.6本章小结

第4章高比转速混流泵外特性预测及与试验对比

4.1相关试验数据

4.1.1概述

4.1.2各叶片安放角下211-80模型最优工况

4.2 CFD性能预测及与试验对比分析

4.2.1混流泵扬程、轴功率及水力效率的预测方法

4.2.2叶片安放角α=0°时预测值与试验值对比

4.2.3叶片安放角α=+2°时预测值与试验值对比

4.2.4叶片安放角α=+4°时预测值与试验值对比

4.2.5叶片安放角α=-2°时预测值与试验值对比

4.2.6叶片安放角α=-4°时预测值与试验值对比

4.2.7结果对比分析

4.3本章小结

第5章总结与展望

5.1研究结果总结

5.2研究展望

致谢

参考文献

在读期间发表的论文及参加的科研项目