小流量工况下离心泵空化流动特性数值模拟研究

摘要

空化是水泵在正常运行过程中普遍发生的现象，由空化流动引起的空蚀、振动和噪声等问题严重制约着我国水泵行业的发展。因此，深入研究空化问题以找到预测和抑制空化现象的有效方法，对水泵维持高效、稳定运行具有重要意义。本文以一中比转速离心泵为主要研究对象，采用试验和数值模拟相结合的方法，对空化、非空化以及含沙工况下离心泵内部流动情况进行了数值计算。本文考虑到离心泵旋转及其几何结构对空化流动的影响，对传统ZGB质量输运空化模型进行了改进；同时，针对RNGk-ε湍流模型对两相流动区域湍流粘性系数估计过高的缺陷，修正了其湍流粘性系数。利用改进的空化模型和湍流模型，对0.8Qd流量工况条件下的离心泵进行了数值模拟，离心泵外特性的数值计算结果与实验测量结果吻合较好，从而验证了计算模型的准确性。　　采用修正的RNGk-ε湍流模型和改进的ZGB质量输运空化模型对0.8Qd流量下离心泵对应非空化工况以及三种空化数(NPSAHa=1.59m、1.21m、0.99m)工况下非定常流动进行了数值模拟，分析了不同空化数条件下离心泵叶轮内的流线分布、空泡形态，并结合其压力脉动特性，阐明了空泡演化过程及脱落机理。同时对比空化和含沙工况下离心泵内部流动的整体变化趋势和运动规律，分析固相沙粒对空化流动的影响。

目录

声明

变量注释表

1 绪 论

1.1 引 言

1.2 研究背景目的及意义

1.3 泵空化现象的产生机理及研究现状

1.3.1 空化发生的机理

1.3.2 空化流动实验的研究现状

1.3.3空化数值模拟的研究现状

1.4 本文主要的研究内容

2 数值模型的改进及其验证

2.1 引言

2.2离心泵外特性实验

2.2.1 试验装置

2.2.2 离心泵外特性实验及数据处理

2.2.3 离心泵空化特性实验及数据处理

2.3 空化数值模拟基本方程与计算模型

2.3.1 控制方程

2.3.2 空化模型

2.3.3 湍流模型

2.3.4 控制方程的离散与求解

2.4 数值模拟方法

2.4.1 离心泵计算域及网格

2.4.2 无关性验证

2.4.3 计算方法

2.5 空化模型的改进

2.6湍流模型的修正

2.7 数值模型的验证

2.8 本章小结

3 离心泵空化形态特性及机理研究

3.1 引言

3.2 离心泵叶轮内部空化流场

3.3 离心泵叶轮内部空泡脱落演化过程

3.4 离心泵空化对蜗壳内部流动特性的影响

3.5 本章小结

4 离心泵空化流场压力脉动特性分析

4.1 引言

4.2 叶轮内部压力脉动特性

4.3 蜗壳内部压力脉动特性

4.4 本章小结

5 离心泵含沙工况对空化特性的影响

5.1 引言

5.2 含沙两相流数值计算方法分析

5.3 含沙两相流数值计算结果分析

5.3.1 压力分布

5.3.2 沙粒分布及运动轨迹

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 主要创新点

6.3 工作展望

参考文献

作者简历

致谢

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