离心泵的内部三维流场数值模拟研究

摘要

利用商用CFD软件来解决工程流动中的实际问题已是计算流体动力学的发展趋势，与此同时，也极大地推动了数值模拟的飞快发展。离心泵的内部流场流动非常复杂，对其内部湍流流动进行数值模拟不但能够了解和掌握其内部复杂的流动规律，还可以对离心泵的结构优化以及水力性能的改善起到指导作用，具有非常重要的现实意义，并可代替大量的实验，节省了大量的人力物力。
　　 目前，专门针对离心泵的内部流场数值模拟研究还处于起步阶段，至于离心泵整机内部全流场的数值模拟更是少之又少。鉴于这种现状，本文利用专业数值模拟软件FLUENT对离心泵整机全流场进行了三维湍流数值模拟，对其计算结果进行了分析和研究，探索其内部流动规律，并预测了离心泵的性能，最后将计算结果与实验结果进行了对比。主要做了以下几个方面的工作:
　　 (1)综述了离心泵内部流场研究的发展历史，详细介绍了计算流体力学的基本理论和方法，包括控制方程、湍流模型、网格生成技术以及边界条件。
　　 (2)本文以型号为MY56-50的离心泵为研究对象，对其整机流场进行了数值模拟计算。利用三维造型软件PRO/E对离心泵内各部件进行三维造型，然后将整机模型导入到网格划分软件GAMBIT中对其进行网格划分，最后利用FLUENT软件进行数值计算，得到了不同工况下的速度分布和压力分布。通过对计算结果综合的比较分析，揭示了离心泵内部的流动规律。
　　 (3)分析了流体密度对离心泵性能的影响。利用FLUENT软件计算了五种不同密度流体介质的离心泵的流场分布，由数值模拟计算结果分析得出离心泵内部三维流场是与流体介质密度无关的。
　　 (4)基于FLUENT数值模拟软件，选用标准k-ε湍流模型对三种不同蜗舌形状的离心泵内流场进行数值模拟。通过数值计算结果分析表明，采用拉伸法蜗舌和矩形法蜗舌是可以代替补面法蜗舌来模拟实际蜗舌结构的，但拉伸法蜗舌优于矩形法蜗舌。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第一章 绪论

1．1 离心泵概述

1．2 离心泵内部流场研究

1．3 本文研究目的及意义

1．4 本文研究的主要内容

1．5 本章小结

第二章 CFD基本理论介绍

2．1 流体动力学控制方程

2．1．1 质量守恒方程

2．1．2 动量守恒方程

2．1．3 能量守恒方程

2．1．4 控制方程的通用形式

2．2 湍流数值模拟理论

2．2．1 湍流数值模拟方法

2．3 控制方程的离散

2．3．1 离散化方法介绍

2．3．2 有限体积法

2．3．3 常用的离散格式

2．4 流场数值计算的主要方法

2．5 本章小结

第三章 离心泵的三维实体建模

3．1 叶轮的三维模型建造

3．1．1 叶轮水力模型图和主要设计参数

3．1．2 流道实体建模

3．2 蜗壳实体建模

3．2．1 蜗壳水力模型图及主要设计参数

3．2．2 蜗壳流道三维模型建造过程

3．3 离心泵整机流道三维实体模型

3．4 本章小结

第四章 离心泵整机流道三维实体模型的网格生成

4．1 网格生成方法

4．2 网格生成软件GAMBIT介绍

4．3 网格的划分

4．3．1 网格的生成

4．3．2 边界条件设置

4．4 本章小结

第五章 离心泵整机流场模拟计算

5．1 FLUENT软件介绍

5．2 转子和静子的耦合模型

5．3 数值模拟步骤

5．3．1 网格的相关操作

5．3．2 求解器设置

5．3．3 设置计算模型

5．3．4 设置运行环境

5．3．5 转速单位的设置

5．3．6 材料定义

5．3．7 边界条件设置

5．3．8 设置求解参数

5．3．9 初始化流场和监视残差

5．3．10 质量流量平衡的检查

5．4 计算模拟结果的分析

5．4．1 整机流场数值模拟结果分析

5．4．2 叶轮内流场数值模拟结果分析

5．4．3 蜗壳内流场数值模拟结果分析

5．5 不同工况下的离心泵数值计算分析

5．6 扬程和水力效率参数计算

5．6．1 各性能参数计算公式

5．6．2 预测曲线与实验曲线的对比分析

5．7 本章小结

第六章 不同密度流体对离心泵性能的影响

6．1 数值分析

6．1．1 数值模拟计算

6．1．2 结果分析

6．2 性能分析

6．3 结论

6．4 本章小结

第七章 蜗舌形状对离心泵性能数值模拟的影响

7．1 研究方案

7．2 数值模拟研究

7．2．1 模型建立与网格划分

7．2．2 内部流场对比分析

7．2．3 性能分析

7．3 结论

7．4 本章小结

第八章 全文总结与工作展望

8．1 全文总结

8．2 工作展望

参考文献

致谢

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