微小型离心泵叶轮内部流动结构参数研究及其表征

摘要

离心泵是应用范围量大面广的叶轮机械，其中微小型离心泵因其特殊的尺寸范围被广泛用于微流体传输和医疗设备中，并得到了研究人员的广泛关注。作为特殊尺寸的离心泵，微小型离心泵的工作中存在运行不稳定、效率低等影响使用的关键问题。正确把握和精确捕捉泵内部流动结构及其时空演化规律，对理解微小型离心泵的运行不稳定、内部流动结构及流动不稳定性的成因具有重要意义。
　　本文以微小型离心泵模型泵为研究对象，对不同运行工况下叶轮内部流动结构进行捕捉和分析，结合速度、压力、流线、分离涡等流动参数对内部流动结构时空演变和不稳定表征展开分析。对不同工况下叶轮周向压力脉动和叶轮内部流场的涡核结构进行了分析。在数值分析的基础上，结合能量梯度理论，从能量场的角度开展多工况微小型离心泵内部流动结构演变规律的研究，为后续的微小型离心泵内部流动结构分析以及优化设计工作提供更多的研究思路和分析依据。本文的主要工作包括:
　　1.对微小型离心泵进行了定常数值计算，获得了离心泵的特性曲线;对不同流量工况下泵叶轮内部速度场、压力场、流线、涡核等流动参数进行了定性和定量的分析。基于能量梯度理论对微小型离心泵内部流动结构进行了分析，并评估了不同流量工况下微小型离心泵叶轮内部的流动状态。研究发现，能量梯度函数能够很好的捕捉机械能梯度突变区域和剪切力突变区域，而且能够反映大尺度涡流对叶片表面造成的流动不稳定的影响。
　　2.对微小型离心泵进行了非定常数值计算，分析了叶轮内部流动结构随时间的演变规律。基于能量梯度理论从能量场角度对叶轮内部流动参数进行了提取和分析，研究了内部流场和能量梯度函数K随时间变化的关联关系。研究发现，随着叶轮靠近隔舌流道中的小尺度涡的尺度逐渐增加，涡流的发展变化加剧了隔舌附近流场的压力脉动程度。
　　3.开展了周期性变流量工况下微小型离心泵非定常数值计算，采用正弦波形的流量函数，对流量上升段、流量下降段和流量函数特殊位置点三种阶段下离心泵叶轮内部流场进行了分析。发现在流量变化阶段，叶片压力面附近流场的速度/压力变化幅度巨大，加剧了压力面附近流域的机械能梯度变化程度，且处于流量上升阶段比流量下降阶段更容易造成泵叶轮内的流动不稳定。
　　最后根据多种工况下泵叶轮内部的流动特性，发现尽管不同运行工况下的微小型离心泵叶轮的流动特性各有差异，但均存在流动损失大，流动结构复杂程度高以及局部流场压力脉动强烈等现象之间的相互影响。流动不稳定区域往往伴随着流场的速度、压力和剪切力强度等流动参数的突变，因此采用能量梯度理论从能量场角度对流场内部流动特性展开分析是可行并且合理的。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 常规尺寸离心泵内部流动研究进展

1．2．2 微小型离心泵内部流动研究进展

1．3 本文的主要工作

第二章 控制方程和数值方法

2．1 几何模型

2．2 网格生成

2．3 控制方程

2．4 离散格式和湍流模型

2．4．1 离散格式

2．4．2 湍流模型

2．5 边界条件设置

2．5．1 进出口边界条件

2．5．2 交界面边界设置

2．6 能量梯度理论简介

2．6．1 能量梯度理论简介

2．6．2 能量梯度函数K值计算

第三章 微小型离心泵定常计算流场分析

3．1 引言

3．2 外特性分析

3．3 定常计算结果分析

3．3．1 叶轮内相对速度和压力分布

3．3．2 能量梯度和剪切力做功研究

3．3．3 能量梯度函数K值分析

3．4 本章小结

4．1 引言

4．2 叶轮与隔舌的相对位置

4．3 非定常计算结果分析

4．3．1 叶轮内速度场和压力场分析

4．3．2 叶轮内涡流核结构分析

4．3．3 叶轮周向位置压力脉动分布研究

4．3．4 机械能梯度和剪切力做功分析

4．3．5 能量梯度函数K值分析

4．4 本章小结

5．1 引言

5．2 周期性变流量工况的流量选定与阶段划分

5．3 周期性变流量工况结果分析

5．3．1 扬程变化规律

5．3．2 流量上升过程内部流动研究

5．3．3 流量下降过程内部流动研究

5．3．4 流量特殊位置工况点内部流动研究

5．5 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读学位期间研究成果

致谢