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超低比转速高速离心泵水力设计与数值模拟

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目录

摘要

符号说明

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 长短叶片离心泵的研究现状

1.2.1 复合叶轮设计方法与理论

1.2.2 复合叶轮离心泵外特性试验研究

1.2.3 内流场数值模拟研究现状

1.3 本文主要研究内容

1.4 本章小结

第2章 复合叶轮高速离心泵水力设计

2.1 复合叶轮设计

2.1.1 复合叶轮设计原理

2.1.2 复合叶轮参数选择

2.1.3 加大流量设计法

2.1.4 叶轮水体造型

2.2 蜗壳设计

2.2.1 蜗壳断面形状选择

2.2.2 蜗壳主要结构参数

2.2.3 蜗壳模型简化

2.3 高速诱导轮设计

2.3.1 诱导轮参数确定

2.3.2 诱导轮与叶轮能量匹配

2.4.1 网格划分意义

2.4.2 网格分类

2.4.3 网格质量评估

2.4.4 网格划分软件

2.4.5 计算域非结构网格划分

2.5 本章小结

第3章 高速泵三维湍流数值模拟方法

3.1 CFD简要介绍

3.2 流动控制方程

3.3 湍流模型

3.4 有限体积法

3.5 耦合式求解法

3.6 动静耦合交界面

3.7 壁面函数法

3.8 ANSYS CFX软件简介

第4章 无诱导轮高速泵三维湍流数值模拟

4.1 确定计算参数

4.1.1 定义模拟类型

4.1.2 设置动静域

4.1.3 设置边界条件

4.1.4 设置域交界面

4.1.5 求解精度控制

4.2 计算求解

4.3 网格无关性验证

4.4 数值计算方案

4.5 数值结果分析

4.5.1 整机(z=0)静压分布

4.5.2 三种工况速度及压力梯度场

4.5.3 叶轮中间截面相对速度矢量图

4.5.4 长叶片进口静压云图

4.5.5 外特性分析

4.6 本章小结

第5章 前置诱导轮高速泵三维湍流数值模拟

5.1.1 进口子午面矢量图

5.1.2 叶片静压分析

5.1.3 叶片总压分析

5.1.4 叶片流线分布

5.1.5 外特性分析

5.2 蜗壳梯度场分析

5.3 蜗壳进口冲击损失分析

5.4 外特性对比

5.5 本章小结

第6章 高速泵三维湍流非定常计算

6.1 叶轮优化建模

6.2 计算网格划分

6.3 瞬态模拟设置

6.3.1 时间步长设置

6.3.2 耦合交界面设置

6.3.3 收敛条件

6.3.4 输出控制

6.4 优化对比及外特性分析

6.5 压力脉动预测

6.6 本章小结

第七章 高速诱导轮离心泵空化数值模拟

7.1 空化流动计算

7.1.1 多相流模型

7.1.2 湍流模型

7.1.3 空化模型

7.1.4 无量纲参数

7.2 空化流动演变

7.3 空化特性分析

7.4 本章小结

第8章 总结与展望

8.1 总结

8.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文及参与课题

声明

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摘要

低比转速高速离心泵具有小流量、高扬程、结构紧凑等特点,被广泛应用于石油化工、航空航天等领域。但因其转速高,所以其内部流动与常见离心泵存在较大差异,如:在叶片吸力面易产生尾迹流,而压力面易出现射流等。高速泵的内外特性研究一直是流体机械领域重点研究课题。本文结合流量Qd=10 m3/h、扬程H=410m、转速n=8500 r/min,比转速ns=18的高速泵的复合叶轮、蜗壳、诱导轮水力设计,利用三维湍流数值模拟方法,基于ANSYS CFX软件平台,对设计的高速离心泵进行全流道三维定常和非定常仿真计算,探索了高速离心泵内外特性的规律。研究得出了叶轮、蜗壳和诱导轮内的速度、压力分布特征,数值模拟预测水泵的外特性以及隔舌处的压力脉动特性。主要工作如下:
  (1)利用速度系数法和加大流量法,设计了流量Qd=10 m3/h、扬程H=410m、转速n=8500 r/min,比转速ns=18的高速泵的复合叶轮、蜗壳和等螺距诱导轮。
  (2)利用PRO/E和GAMBIT软件对离心泵的进水管、复合叶轮、蜗壳及等螺距诱导轮等过流部件进行三维建模,运用非结构化网格离散过流部件计算域。
  (3)为探求转速变化对离心泵内部流动影响,基于雷诺时均N-S控制方程和标准的k-ε湍流模型,利用ANSYS CFX软件,数值模拟了设计流量下6种不同转速的水泵内部流动,比较分析了转速对叶轮内静压和相对速度分布规律的影响。
  (4)针对设计转速n=8500 r/min,数值模拟离心泵高速运行在小流量0.4Qd、设计流量1.0Qd和大流量1.3Qd三种工况下的内外特性,研究得到了不同流量下复合叶轮内部压力场、速度场及蜗壳隔舌处的静压力场分布,数模预测高速泵的能量特性。
  (5)对带前置诱导轮的高速离心泵进行了三维定常数湍流值模拟,得出了小流量0.4Qd、设计流量1.0Qd和大流量1.3Qd三种工况的内外特性,对比了不同流量下诱导轮、叶轮的静压场和相对速度场分布;分析了前置诱导对水泵能量特性的影响。
  (6)数值模拟了带前置诱导轮的高速离心泵蜗壳与叶轮耦合非定常流动,得到了蜗壳隔舌处3个不同监测点,在小流量0.4Qd、设计流量1.0Qd和大流量1.3Qd三种工况下的压力脉动规律,对比分析了它们的时域特性和频域特性。
  (7)数值模拟了带前置诱导轮的高速离心泵叶轮叶栅及子午面上的空化情况,并就偏离设计点工况下诱导轮对泵汽蚀余量的影响进行了预测。

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