大功率高速混流泵流动模拟与结构优化

摘要

为了提高发射系统中瞬态工作的水泵具有优越的稳态性能，探索最佳的特殊流动结构形式，保证水泵基本性能和结构形式满足发射系统的需要，本文以涡轮泵发射系统中具有特种结构型式的混流泵作为研究对象，利用计算流体力学(CFD)技术对特种混流泵在多种工况下的内部流动状态进行分析，基于流动分析对全工况的稳态性能进行预测，并分析了不同出水结构对水泵和发射系统性能的影响。 介绍了混流泵水力性能和内流特性研究的四种方法，比较了各种方法之间的优缺点，指出数值模拟是具有投资小、研究周期短和精度易于提高等特点的一种研究流体流动的有效方法。 介绍了水力机械叶轮内流数值模拟研究的理论和基本方法，比较了各种湍流模式的优缺点以及在水力机械CFD模拟中的适用性。详细阐述了叶片造型、网格生成、边界、壁面条件设置方法，以及基于内流模拟的外特性预测方法。 针对特种混流泵在全工况下的内部流动进行了整机数值模拟，给出了各过流部件的内流场，分析了从小流量到大流量的流场变化和外特性曲线，将全工况下的外特性结果与模型试验数据进行了比较，两者能较好吻合。 在基本模型的分析基础上，改变混流泵的出水机构，进行三种不同结构形式的内部流动模拟和外部性能预测，对结果进行比较分析，得到了更适合发射系统的混流泵的特殊出水机构。 本文给出特种混流泵内流场模拟和外特性预测方法，得到了这种瞬态工作泵的稳态内部流场信息和外部性能特征，为特种混流泵基本性能的改进和出水方式的优化提供了依据，还丰富了混流泵流动模拟和结构优化的研究结果，具有重要的理论意义和很强的实际应用价值。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1本论文研究的目的和意义

1.2混流泵水力性能及稳定性研究方法概述

1.3叶轮内流数值模拟研究的发展和现状

1.3.1无粘性流动数值模拟

1.3.2分区考虑粘性效应

1.3.3三维粘性流动数值模拟

1.3.4通用商业CFD软件介绍

1.4本文的主要工作

第二章叶轮机械流场分析的基本理论及方法

2.1引言

2.2三维不可压缩流动的基本方程

2.3湍流模式

2.3.1大涡模拟

2.3.2雷诺平均法

2.3.3粘涡模型

2.3.4雷诺应力模型

2.4收敛判据

2.5叶轮机械内流问题的求解方法

2.6本章小结

第三章混流泵流场数值分析和性能预测方法

3.1引言

3.2叶片的造型

3.2.1线条处理

3.2.2叶片曲面

3.2.3导叶的建模

3.2.4轮毂的建模

3.2.4计算流体域

3.3网格生成技术

3.3.1结构化和非结构化网格

3.3.2分块网格

3.3.3混流泵的分块网格划分

3.4混流泵流场分析的过程

3.4.1计算假设及边界条件

3.4.2进口边界条件

3.4.3出口边界条件

3.4.4壁面条件

3.4.5计算方法

3.4.6计算策略和步骤

3.5性能预测的方法

3.5.1流量

3.5.2压力

3.5.3扬程

3.5.4扭矩

3.5.5效率

3.6本章小结

第四章混流泵全工况内部流动计算结果

4.1引言

4.2设计工况下内流场分析

4.2.1叶片和导叶压力面上平均压力变化

4.2.2叶片和导叶压力面上平均速度变化

4.3不同工况流线速度的比较

4.3.1流线的比较

4.3.2轴截面上速度矢量的比较

4.3.3平行Z截面速度矢量比较

4.4不同工况压力分布比较

4.4.1平行于Z的截面

4.4.2垂直于Z轴的截面

4.5全工况的性能预测结果分析

4.6本章小结

第五章出水方式对混流泵流动性能影响分析

5.1引言

5.2流动的比较

5.2.1流线的比较

5.2.2流动速度的比较

5.2.3压力的比较

5.3性能的预测和比较

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢