立式轴流泵装置出水弯管水力性能优化设计

摘要

为了尽量提升轴流泵的性能，对轴流泵各部件的研究优化从来就没有停止，其中关于水泵出水弯管内的流动问题一直以来都是流体力学中的一个非常典型的复杂流动问题。出水弯管对泵装置的效率影响较为明显，它改变了水泵来流的流向，其管内流体流动状态变得更加紊乱。来自叶轮室的出流流体在环量的影响下导致出水弯管内的二次流变得更加复杂，对其性能优化就显得非常困难，但国内外对出水弯管内流态的研究从未停止，出水弯管作为泵装置必不可少的部件，对其进行优化势在必行。
　　本文着重研究了轴流泵出水弯管这一部件在不同优化方案下的水力性能。主要的研究内容及成果简述如下:
　　利用精度和结果可靠性更好的RNG k-ε模型对不同设计方案的泵段进行数值模拟分析，针对出水弯管的流动特性比较分析了泵段的性能和流态。
　　(1)比较了大直径(直径为350mm)弯管和小直径(直径320mm)弯管在效率、扬程、水力损失、出口速度均匀度、压力恢复能力等性能的优劣情况，同时比较了两者在流态上的不同。采用两者的泵段装置在效率和扬程的表现上并没有明显的区别，但是小直径弯管的水力损失相对于大直径弯管更小一些且流态相对稳定，在弯管出口处流态稳定的区域主要位于管壁外侧约占直径的五分之一，内侧流体成螺旋状态偏向管道的一侧，另一侧旋转并不明显，且旋转流速较强一侧偏向于管壁一侧，由此可以看出从叶轮和导叶流出的流体经过出水弯管时在弯管外壁的周向和径向流速减弱贴近管壁快速通过弯管及出水段，在内侧保持了螺旋状态通过弯管流进出水段。
　　(2)比较了小直径弯管在不同扩散角下的水力性能和流态，以将出水弯管展开成流道的形式分析部件各部位的尺寸完成建模，模拟后比较结果发现，在出水弯管扩散角为4度以内时，泵段效率和扬程变化性能比较稳定且出水弯管水力损失较小，但是各角度下出水弯管在出口处的流态分布并没有明显变化，总体来说扩散角为3度的出水弯管效果更佳。
　　(3)比较了不同出口截面高度下的出水弯管的性能和流态表现，方法是降低扩散角为3度的小直径弯管的截面高度，比较分析发现，高度为302mm至308mm的出水弯管在性能和流态上更有优势，低于其下限或高于下限其性能都有降低的趋势。
　　(4)将出水弯管整体高度降低分析其性能和流态上的变化趋势，本文降低高度是指沿出口截面径向的降低弯管高度，将整体高度降低势必会导致弯管中心轴线不是标准的60度弯管的原轴线，确定进口和出口中心点的位置后，在保持弯管中心轴线在进口和出口截面保持垂直约束的同时利用UG做3次样条曲线即为降低高度后的中心轴线，进行数值模拟后发现，降低整体高度只会使整体性能变差且弯管水力损失增大，在流态上也越来越紊乱，表现为经弯管出口的流体在下方的螺旋状态更加剧烈，螺旋区域的周向和径向流速逐渐增大，且各方面变差速率越来越大。
　　本文的研究综合了各种衡量水泵装置性能的指标，获取了轴流泵出水弯管在不同扩散角、不同出口截面高度和降低整体部件高度时的性能数据及流态表现数据，为轴流泵出水弯管的优化提供了必要的研究资料。通过比较各种方案的在性能及流态上优劣形势，为轴流泵出水弯管的优化方向提供了参考。

目录

摘要

符号说明

1．绪论

1．1 本文研究的背景和意义

1．1．1 轴流泵的应用发展概况

1．1．2 轴流泵出水弯管优化的必要I生

1．1．3 轴流泵出水弯管水力损失认知

1．2 研究现状

1．2．1 国外早期研究成果

1．2．2 国内研究情况

1．3 本文的研究计划及方法

2．1．1 连续方程简介

2．1．2 动量方程简介

2．2 湍流模拟

2．2．1 湍流模拟方法

2．2．2 湍流模型

2．3．1 UG简介

2．3．2 ICEMCFD简介

2．3．3 CFX计算简介

2．4 轴流泵泵段模型

2．5 网格的成

2．6．1 边界条件设置

2．6．2 计算参数设置

2．7 计算结果数据分析

2．8 本章小结

3．出水弯管不同方案模型的建立

3．2 小弯管优化方案模型的建立

3．3 本章小结

4．常用60°圆截面弯管大、小弯管方案数值模拟分析

4．2 大弯管与小弯管流场比较分析

4．3 流动机理分析

4．4 本章小结

5．小弯管进阶优化方案的计算结果及分析

5．1 不同扩散角的出水弯管数值模拟分析

5．1．1 不同扩散角的出水弯管性能比较

5．1．2 不同扩散角的出水弯管流场比较分析

5．1．3 流动机理分析

5．1．4 本节优化方法小结

5．2．1 降低出水弯管出口截面高度的性能比较分析

5．2．2 降低出水弯管出口截面高度的流场比较分析

5．2．3 流动机理分析

5．2．4 本节优化方法小结

5．3．1 降低出水弯管整体高度的性能比较分析

5．3．2 降低出水弯管整体高度的流场比较分析

5．3．3 流动机理分析

5．3．5 本节优化方法小结

6．总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

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