高比转速自吸离心泵数值模拟与优化设计

摘要

本课题属于国家高技术研究发展计划（863计划）“精确喷灌技术与产品”，所属项目为农业高效用水精量控制技术与产品（课题编号：2011AA100506）的研究内容之一。　　高比转速自吸离心泵采用柴油机驱动，空气压缩机与泵轴联动的工作方式，泵机组启动前不需向泵体内灌水，泵可快速正常运转的结构形式，保证了高比转速自吸离心泵高效、快速的自吸性能。泵机组用于干旱输水、河流排污、山洪排涝和市政建设等场所。本课题主要的研究工作和创新点如下：　　（1）泵的水力设计。对该高比转速自吸离心泵的叶轮和压水室进行水力设计，详细阐述各个过流部件的设计过程和设计结果，并绘制水力图。　　（2）泵机组的自吸结构设计。设计一种自吸排气结构，以保证泵能够高效地完成自吸。该结构主要的机理是通过压缩机压缩空气使得泵腔内形成负压，气液分离室止回阀开启，压缩空气与泵腔内气体不断混合，并由喷嘴排出，直至进口管路气体被抽干，泵开始正常工作。　　（3）泵内部流场的数值模拟。运用 CFD软件对泵进行全流场的数值模拟，分析高比转速自吸离心泵在0.4Q、0.6Q、0.8Q、1.0Q、1.2Q工况点下运行时内部流态分布。计算各个工况点的扬程、效率及轴功率，预测高比转速自吸离心泵水力性能，在额定设计工况点扬程的模拟计算值为H=45.98m，效率的模拟值为η=73.15％,满足设计要求；模拟研究叶片厚度对泵性能的影响，叶片厚度最厚处置于叶片出口2/3处时，泵的性能最优。　　（4）泵空化现象的研究与性能预测。以高比转速自吸离心泵液相数值计算结果为初值，载入空化模型，模拟该泵的空化现象，分析高比转速自吸离心泵在不同工况下出现空化现象时的内部流态，预测其空化性能。泵的装置空化余量NPSHa越低，泵腔内空泡生成率越高，空泡在叶片背面进口边开始生成，并且不断向泵的出口边延伸，泵的空化性能随流量的增大而变差，泵在设计工况下预测得到的必需空化余量NPSHr=5.08m。　　（5）泵的试验研究。对高比转速自吸离心泵进行外特性试验研究，在设计工况点，流量Q=502.44m3/h、扬程H=45.22m，效率η=72.79%，试验结果与数值模拟结果的误差很小，数值模拟能够较为准确地反应泵的内部流动。

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第一章 绪论

1.1研究目的及意义

1.2自吸离心泵的研究现状及发展趋势

1.3本课题主要研究内容

第二章 高比转速自吸离心泵的水力设计

2.1叶轮

2.2泵的设计参数

2.3叶轮的水力设计

2.4叶轮的绘型

2.5压水室

2.6压水室的水力设计

2.7压水室的绘型

2.8本章小结

第三章 高比转速自吸离心泵自吸结构的设计

3.1自吸结构

3.2自吸结构的基本原理

3.3气液分离装置

3.4新型轴联传动离合装置

3.5空气压缩机的选型

3.6本章小结

第四章 高比转速自吸离心泵内部流场数值模拟

4.1概述

4.2数值模拟理论与方法

4.3计算域造型与网格划分

4.4内流场数值模拟结果分析

4.5外特性性能预测

4.6叶片加厚方式对泵性能的影响预测

4.7本章小结

第五章 高比转速自吸离心泵空化特性的研究

5.1概述

5.2空化模型

5.3计算设置

5.4不同流量工况叶轮内部压力分布

5.5不同流量工况叶轮内部空泡分布

5.6本章小结

第六章 高比转速自吸离心泵的试验研究

6.1概述

6.2高比转速自吸离心泵外特性试验

6.3本章小结

第七章 总结和展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的相关论文

一、成果

二、参与课题