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半开式离心泵汽蚀特性及数值模拟研究

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1 绪论

1.1 背景与意义(Background and Significance)

1.2 汽蚀的研究现状(Research Status of Cavitation)

1.3 国内外离心泵内部流动实验研究方法及进展(Domestic and Foreign Centrifugal Pump Internal Flow Experimental Research Methods and Progress)

1.4 离心泵数值模拟研究进展( Research Progress in Numerical Simulation of Centrifugal Pump)

1.5 主要研究内容(Main Content)

2 离心泵基本理论及数值计算方法

2.1 离心泵基本理论(Basic Theory of Centrifugal Pump)

2.2 计算流体力学及 CFX 简介(Introduction of Computational Fluid Dynamics and CFX)

2.3 基本控制方程(Basic Control Equation)

2.4 湍流模型(Turbulence Model)

2.5 空化模型(Cavitation Model)

2.6 本章小结(Summary)

3 可视化半开式离心泵汽蚀实验与模型建立

3.1 可视化半开式离心泵汽蚀实验(Visual Cavitation Experiment of Semi-open Centrifugal Pump)

3.2 模型泵三维建模(Modeling of Model Pump)

3.3 网格划分(Mesh Partition)

3.4 非汽蚀状态稳态流场边界条件设置( Boundary Condition Setting of Steady State Flow Field in Non Cavitation State)

3.5 网格无关性验证(Mesh Independent Verification)

3.6 额定工况下不同湍流模型稳态计算结果分析( Analysis of Steady State Calculation Results of Different Turbulence Models under Rated Operating Conditions)

3.7 本章小结(Summary)

4 半开式离心泵汽蚀模拟与分析

4.1 汽蚀状态边界条件设置( Cavitation Boundary Condition Setting)

4.2 不同流量工况汽蚀模拟结果分析( Analysis of Cavitation Simulation Results at Different Flow Conditions)

4.3 离心泵汽蚀余量计算( Calculation of Net Positive Suction Head of Centrifugal Pump)

4.4 本章小结(Summary)

5 叶顶间隙和动静叶相互作用对半开式离心泵汽蚀特性的影响

5.1 叶顶间隙对半开式离心泵汽蚀特性的影响(Influence of Tip Clearance on Cavitation Characteristics of Semi-open Centrifugal Pump)

5.2 动-静叶栅相互作用对半开式离心泵汽蚀的影响(The Effect of Rotor-Stator Interaction on Cavitation Characteristics of Semi-open Centrifugal Pump)

5.3 本章小结(Summary)

6 结论与展望

6.1 结论(Conclusion)

6.2 展望(Prospect)

参考文献

作者简历

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摘要

随着国民经济的发展,离心泵的应用领域越来越广泛,但是汽蚀这一难题导致其性能下降、损失增大,不仅影响了离心泵的工作稳定性和可靠性,而且浪费了很多能量,所以研究离心泵的汽蚀有重要意义。
  本文使用自行搭建的可视化半开式离心泵实验台,分别进行了离心泵的性能实验和汽蚀实验,在实验基础上使用ANSYS软件对实验泵进行建模,并进行了内流场、汽蚀的数值模拟,与实验的结果相印证。最后分析了叶顶间隙、动静叶相互作用对离心泵汽蚀的影响。主要工作如下:
  1、搭建可视化半开式离心泵实验台进行离心泵的性能实验和汽蚀实验,绘制出离心泵性能曲线,采用高速摄像技术拍摄汽蚀现象,拍摄结果显示汽蚀发生的位置位于离心泵动叶进口吸力面。根据实验离心泵的几何参数建立三维模型,使用CFX进行离心泵的内流场模拟,将性能曲线与实验数据对比,误差在10%以内。
  2、模拟汽蚀情况下不同流量工况离心泵的压力场分布和气体体积分数分布,并绘制了汽蚀余量-扬程曲线和汽蚀余量-流量曲线。结果表明:汽蚀一般率先发生在离心泵动叶进口吸力面偏后位置,随着汽蚀的加深汽蚀发生区域沿动叶的流线方向发展,这与实验所拍摄的结果相符合。随着流量的增大,汽蚀发生的工况提前,即发生汽蚀时进口压力的值增大。
  3、分析了叶顶间隙和动静叶相互作用对离心泵汽蚀性能的影响。首先对不同叶顶间隙下离心泵的汽蚀进行分析,绘制了额定流量下不同叶顶间隙的NPSH-H曲线,找到汽蚀临界点,结果表明,在一定范围内,随着叶顶间隙的增大,离心泵的扬程下降,并且越容易发生汽蚀。然后分析了动静叶相互作用对离心泵性能的影响,然后分析了动静叶不同相对位置时的气体体积分数分布以及叶片载荷的分布。结果表明,随着叶轮的转动,离心泵性能、压力场的分布、气体体积分布的分布都呈周期性变化,汽蚀发生的区域在动叶前段至1/5长度处。

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