吸水室等过流部件内部流动分析

摘要

离心泵广泛用于发电厂、石油、化工、城市供水、农业排灌等行业。而吸水室是水泵中不可缺少的部件。在设计中对吸水室决不可掉以轻心，这是因为吸水室设计的好坏，直接影响到水泵汽蚀（空化）性能和效率指标。因此，设计吸水室时，要在水力损失最小的条件下保证：1）为了创造在设计工况下，叶轮内稳定的相对流动，沿吸水室所有断面的流速必须尽可能地均匀分布；2）将吸入管内的速度变为叶轮入口所需的速度。双吸泵的半螺旋形吸水室在进口部分相连通，而后绕过压出室外壁分别通向双吸叶轮的两个进口。这比一般吸水室的结构复杂，内部流动更为特殊。因而本研究具有一定的理论意义，为分析吸水室的内部流动和设计高效率的双吸泵提供了有价值的信息。 近年来，计算流体力学技术已经成功地运用于数值模拟离心泵内部湍流流动。本文以型号为250GS65型双吸式离心泵为研究对象，以给定的设计参数对吸水室进行了水力设计；并使用商业软件FLUENT分别计算了不同工况条件下的吸水室、叶轮和蜗壳的内部流场，继而得到了速度和压力等参数的分布。主要的研究工作如下： 在查阅大量文献的基础上，综述了计算流体力学的发展，以及在流体机械内部流动数值模拟方面的应用，并对连续性方程、雷诺时均方程、k-ε模型、结构网格和非结构网格技术、有限体积法以及SIMPLE算法在离心泵流场中的应用进行了较全面的总结。 详细地叙述了吸水室的实体造型过程，并将三大过流部件（吸水室、叶轮和压水室）的造型结果导入到FLUENT前处理软件GAMBIT中进行网格划分。 采用多参考坐标系模型进行定常计算，分析了速度场和压力场的变化，重点突出吸水室内部流动的分析。 分别对设计工况（Q=485 m3/h），大流量工况（1．5Q）和小流量工况（0．5Q）进行了数值模拟，在以上不同的工况下观察吸水室出口水流的圆周速度和轴面速度的分布情况，查看压水室外壁是否存在脱流现象。并进一步假设液体无粘，（即理想流体），观察模拟结果有何变化。最后，改变液体的粘度，分析模拟结果，进一步认识脱流现象。 计算结果显示：1．0 Q和1．5Q工况下吸水室出口水流分布比较均匀，无漩涡产生，Vu和Vm分布较好，能够为叶轮进口提供均匀的来流。0．5Q工况下由于叶轮进口出现二次回流，故分布混乱。各工况下以及液体粘度增大时压水室外侧均不存在漩涡和脱流现象，说明了水力设计的合理性。 同时，论文对设计工况（Q=485 m3/h），大流量工况（1．2Q）和小流量工况（0．8Q）进行了模拟，分析水流在压水室和叶轮内部的流动规律。并以液体无粘模拟，观察模拟结果的变化。 模拟结果说明：不同工况下叶轮流道内相对速度分布与理论分析比较一致；叶片的静压分布与速度的分布也符合对应的规律。压水室各截面的速度也满足VuR=const这一定律。 双吸式离心泵的内流相当复杂，本文的研究对其结构优化和改进提供了重要的理论依据。这对此类离心泵的设计理论和方法的发展都有重要意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题的来源

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课题的主要研究内容及技术路线

第二章吸水室的设计及绘形

2.1吸水室的概述

2.2半螺旋形吸水室的设计方法

2.2.1吸水室基本参数的确定

2.2.2螺旋形吸水室绘制

第三章计算模型的建立及网格生成

3.1 UG软件简介

3.2利用UG建模

3.3网格划分计算模型

3.3.1网格技术的发展与应用

3.3.2计算模型的网格划分

3.3.3网格质量检查(quality check)

3.3.4指定边界条件和区域类型

第四章流体动力学控制方程的建立

4.1连续性方程(质量守恒方程，continuity equation)

4.2动量方程(Navier-Stokes equation)

4.3湍流流动的特征

4.3.1湍流的数值模拟方法简介

4.4壁面函数法

4.5动静过流部件流动耦合方法

4.5.1多参考系MRF法

第五章吸水室内部流场的数值模拟方法

5.1引言

5.2 CFD技术的发展与应用

5.3 CFD的求解过程

5.3.1建立控制方程

5.3.2控制方程离散的方法

5.3.3流场数值计算的主要方法

5.3.4确定边界条件与初始条件

5.3.5判断解的收敛性

第六章 数值模拟结果与分析

6.1湍流参数的设定

6.2计算中泵的工况及流体物性

6.3数值模拟结果及分析

6.3.1吸水室的流场分析

6.3.2叶轮内CFD流场分析

6.3.3蜗壳各断面的流场分布

第七章结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

作者硕士期间发表的论文

致谢