直立叶栅型双向轴流泵的设计理论及数值模拟

摘要

泵是我国三大机械产品之一，它是以液体为工作介质进行能量转换的通用机械，广泛应用于国民经济的各领域。在农业排灌、城市供水、城市排污、石油化工、火力发电、航空航天、核工业等方面，都离不开各种类型的泵。 对于各种泵而言，都有其不同的性能特点。在实际的运用领域，对于不同的流量和扬程要使用不同的泵，例如当需要低流量高扬程的情况下，要使用离心泵，对于大流量低扬程时要使用轴流泵，对于介于两者之间的情况下使用混流泵。但是在很多情况下，一般的泵并不能完全满足运行环境的需要。如在某些泵站和轮渡中，要求所使用的轴流泵具有双向抽送功能的同时，还要具有扬程较高的特点。众所周知，对于一般的轴流泵的，虽然可以通过反转而实现反向抽水的功能，但效率比正向抽水时要小的多，不能够满足某些特殊场合的使用。为了满足国内某些特殊场合使用双向轴流泵的需要，本文在查阅了国内外文献资料的基础上，通过借鉴国内外研究工作者所提出的一些优秀的设计思路，提出了可以双向抽送的双向轴流泵的设计方法。所设计的双向轴流泵跟以前的研究工作者所设计的双向轴流泵相比，不仅可以满足双向抽水性能大致相同的需求，而且还可以用于某些需要扬程较高的特殊场合。 对于本课题的研究，本文主要从以下几个方面进行了一定的工作。 (1)对前人所提出的低扬程双向轴流泵的设计方法和提高轴流泵扬程的设计方法进行分析、比较和总结。尝试将两种不同设计方法加以综合考虑，从而提出三种可以运行在较高扬程工况下双向轴流泵的结构型式。 (2)对于本文中的双向轴流泵叶片的翼型的选取采用了数值模拟的分析方法。利用数值模拟软件FLUENT对采用不同翼型设计的一般轴流泵叶轮内部流场进行了全三维的紊流数值模拟。通过对数值模拟结果的分析和比较，选取了一种较为适合本文的双向轴流泵叶片的翼型。 (3)通过三维造型软件pro／e完成了三种不同结构型式下双向轴流泵叶轮的三维造型。利用计算流体力学前处理工具GAMBIT采用混合网格法对流动区域进行了网格划分。最后采用CFD软件FLUNT对不同结构型式下的叶轮内部流动区域进行了较为详细的数值模拟。在流场求解的过程中，计算模型采用标准的κ-ε模型，针对控制方程的特点，速度求解时使用二阶中心差分，压力与速度耦合求解采用SIMPLEC算法，离散后方程的求解采用Under-Relaxation法。 (4)对数值模拟的结果进行分析以获得不同结构型式下的双向轴流泵叶轮的内外特性。对三种不同结构型式下的叶轮内部流动规律进行了一定的分析，并利用数值模拟得出的叶轮进出口压力场和速度场对不同结构型式下的双向轴流泵叶轮进行了水力性能预测。最终预测出双向轴流泵叶轮性能最优的一种结构型式。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2双向轴流泵的研究现状

1.2.1国内研究现状

1.2.2国外研究现状

1.3存在的问题

1.4本文研究的主要内容

第二章双几轴流泵结构设计和三维实体造型

2.1双向轴流泵结构设计

2.1.1引言

2.1.2圆柱层无关性假设和叶栅理论

2.1.3双向轴流泵首级叶轮参数的确定

2.1.4双向思流泵叶片翼型的选择

2.1.5双级带导叶叶轮的结构形式

2.1.6应用串列叶栅理论的叶轮结构形式

2.1.7对旋式叶轮结构形式

2.2双向轴流泵的叶轮的三维实体造型

第三章紊流理论基础

3.1概述

3.2紊流基本方程

3.3紊流半经验理论

3.3.1涡粘性模型

3.3.2混渗长度理论

3.4常用紊流模型

3.4.1零方程模型

3.4.2一方程模型

3.4.3两方程模型

第四章网格生成技术

4.1概述

4.2贴体计算网格的生成

4.2.1采用适体坐标求解问题的总体步骤

4.2.2对适体坐标的要求及生成方法分类

4.2.3生成适体计算网格的代数法

4.2.4生成适体计算网格的微分方程法

4.3非结构化网格生成概述

第五章双向轴流泵内部流场的数值模拟

5.1引言

5.1.1叶轮机械的数值模拟发展过程

5.1.2商业软件简介

5.2双向轴流泵内部流场的数值模拟

5.2.1控制方程

5.2.2方程的贴体坐标转换

5.2.3双向轴流泵叶轮内部流动区域网格的生成

5.2.4边界条件

5.2.5方程的离散

5.2.6代数方程的求解方法

5.2.7求解N-S方程的压力修正法

5.2.8FLUENT计算过程

5.3数值模拟结果及分析

5.3.1内部流动结果及分析

5.3.2双向轴流泵叶轮的水力性能预测

第六章总结及展望

参考文献

致谢

读研期间发表的论文