低比转速叶轮无脱流的Z、ψ条件

摘要

流体机械是动力工程中最重要、应用最广泛的一类机械设备。做为其重要的组成部分，低比转速离心泵在国民经济的各部门和社会生活各领域都得到极广泛的应用。叶轮是离心泵的重要过流部件，叶轮设计的优劣对泵的性能有很大的影响。近几年来，随着计算机技术的飞跃发展和广泛应用，利用CFD对叶轮内流场建模分析已成为离心泵优化设计的重要工具。本课题正是利用计算流体动力学（CFD）方法，在离心泵叶轮的基本外尺寸（叶轮内外半径、叶轮进出口宽度及叶片进出口安放角）相同情况下对不同包角、叶片数的叶轮进行建模、模拟和分析比较，并最终得出结论。 本文以一给定低比转速单级单吸离心式潜水泵为基本型进行优化计算，得出相关几何参数。根据这些参数，设计了不同包角、不同叶片数的八个圆柱形叶片叶轮和与其配套的蜗壳。 圆柱形叶片进出口都是二维柱面。这种叶片具有造型简单，成本低，铸造缺陷少等优点。采用艾尔米特插值方法，可在保证叶片进出口安放角不变的前提下，产生不同给定包角的叶片。 本文对所设计的八个叶轮的内流场进行了数值模拟。二维图形由最通用的AutoCAD软件绘制成形，采用具有强大曲面功能的UG作为叶轮三维建模的平台，选择大型商用CFD软件FLUENT作为叶轮内部流场三维数值模拟的平台。 本文的模拟均采用三维湍流定常计算方法。用FLUENT模拟时，用其自带网格划分软件Gambit进行网格划分，求解时采用SIMPLEC算法二阶迎风模式和标准K-ε模型进行求解。通过对叶轮的数值模拟，得到了它们内部流动的速度及压力分布，并发现了一些重要的流动现象，如叶轮进口存在脱流和冲击损失；采用“大包角，少叶片”和艾尔米特插值曲线方法生成的圆柱形叶片，具有合理的叶片数和叶片包角，能够保证叶片安放角从叶片进口到出口均匀变化，可避免水流在叶轮流道中产生脱流水力损失，有效降低叶轮入口冲击损失。揭示了不同叶片数和包角对离心泵叶轮内部流动的影响。并对软件模拟结果进行分析，通过比较各类叶轮，得出圆柱形叶片叶轮无脱流条件下的最优Z、φ条件。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1课题来源

1.2课题的研究目的和意义

1.3国内外研究现状及发展趋势

1.4本课题的主要研究内容及技术路线

第二章 离心泵的设计及绘形

2.1圆柱形叶片叶轮基本型的设计及绘形

2.2蜗壳的设计及绘形

第三章 三维模型的建立及其网格划分

3.1离心泵的三维实体造型

3.2网格分类

3.3计算模型的网格划分

3.4边界条件的设置和网格输出

第四章 CFD理论综述

4.1 FLUENT软件介绍

4.2 CFD的求解过程

4.3数值求解的理论基础

4.4湍流模型

4.5计算方法

4.6边界条件

第五章 离心泵内部流场模拟及分析

5.1模拟计算结果

5.2模拟结果分析

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

在读期间科研成果

致谢