复合叶轮离心泵数值模拟与优化设计研究

摘要

低比转速复合叶轮离心泵具有流量小、扬程高、结构紧凑、维修方便等特点，在我国石油化工、轻工业和航空航天等领域得到了广泛的应用。鉴于其广泛的用途，研究离心泵的安全稳定性和经济高效性就显得尤为重要。本文从内流场的角度探究具有良好性能的复合叶轮离心泵。设计了3副具有相同长叶片不同短叶片的复合叶轮，利用三维湍流数值模拟的方法，分析了转速变化对离心泵内、外特性的影响、复合叶轮离心泵瞬态特性以及叶轮叶片最优开槽方式。主要开展的工作和取得的成果如下: (1)分析了大量国内外关于复合叶轮离心泵设计、水泵变转速运行试验、离心泵瞬态特性模拟以及旋转机械中流动控制技术的应用的研究成果，并进行了总结，提出了论文的研究方向。 (2)利用平面势流叠加理论分析了叶轮内部流动特性，并比较了无粘流体流动与粘性流体流动的差异。探讨了低比转速高速离心泵在多种力的作用下叶轮出口靠近叶片背面处发生脱流现象的原因。为了改善这种状况，设计了3副具有相同长叶片、不同短叶片的复合叶轮及配套蜗壳。 (3)利用三维湍流数值模拟方法，对3副复合叶轮离心泵不同转速下的内、外特性进行对比分析，探讨了转速变化对复合叶轮内、外特性的影响，分析了由于转速增大导致的牵连离心加速度、相对加速度和科里奥加速度及速度环量增大而引起的叶槽内流体质点相对速度矢量向压力面偏转的现象。结果表明随转速增大，质点相对速度矢量偏转变大，无因次性能曲线偏移量增加。 (4)利用正交试验设计法，研究了开槽的位置Di、径向宽度(W)1及角度β3对水泵效率的影响，寻找能够提高水泵效率的合理叶片开槽方式。结果表明在0.37(D1+D2)处开2mm径向宽度的槽使水泵效率得到明显提高。 (5)为研究复合叶轮离心泵瞬态特性，对3副复合叶轮分别在3种流量工况下进行了非定常流动计算，发现不同工况下随着叶轮的旋转泵内流场及泵出口压力均发生周期性变化。从频域特性图看出C叶轮压力脉动幅度比其它两副叶轮的脉动幅度大，3副叶轮出口压力脉动幅度都表现出随着流量增大而增大的趋势。

目录

符号说明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 复合式叶轮研究概况

1．2．1 离心泵变转速运行研究现状

1．2．2 叶片引流离心叶轮研究现状

1．2．3 复合叶轮压力脉动特性研究现状

1．3 研究发展趋势

1．4 主要研究内容

第二章 复合叶轮离心泵设计

2．1 叶轮内流场分析

2．2 复合叶轮主要参数设计

2．3 高速离心泵压水室的水力设计

2．3．1 蜗壳工作原理

2．3．2 蜗壳的设计计算

2．4 复合叶轮离心泵模型设计

2．5 本章小结

第三章 高速泵三维湍流数值模拟方法

3．1 CFD的基本概念及原理

3．2 控制方程

3．2．1 连续性方程及动量方程

3．2．2 湍流模型及其选择

3．3 实体造型及网格划分

3．3．1 计算模型的实体造型

3．3．2 网格划分

3．4 控制方程离散化

3．5 边界条件与计算参数设置

3．6 本章小结

第四章 不同转速下的复合叶轮离心泵特性分析

4．1 数值模拟试验方案

4．2 不同转速相似工况下压力场分析

4．3 不同转速相似工况下速度场分析

4．4 不同转速相似工况下外特性分析

4．5 本章小结

第五章 基于正交试验的开槽叶轮优化设计

5．1 正交试验设计

5．1．1 试验因素及水平数确定

5．1．2 正交表的选择

5．1．3 试验方案确定

5．2 正交试验结果分析

5．3 开槽复合叶轮优化方案

5．3．1 叶轮优化方案的内特性比较

5．3．2 叶轮优化方案的外特性比较

5．4 本章小结

第六章 复合叶轮内流场瞬态特性分析

6．1 瞬态数值模拟方法简述

6．2 瞬态数值模拟设置

6．2．1 时间步长的确定

6．2．2 动静耦合交界面的处理

6．2．3 收敛条件设置

6．2．4 输出控制及初始值给定

6．3 计算结果与分析

6．3．1 蜗壳截面的静压分布

6．3．2 压力脉动时域及频域特性分析

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文及参与课题

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