高比转速蜗壳式混流泵三元水力设计及数值模拟

发布时间：2017-10-21 04:29

  本文关键词：高比转速蜗壳式混流泵三元水力设计及数值模拟

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【摘要】：混流泵因其扬程适中、流量较大、适用范围广等特点,在国民经济众多领域被广泛应用。然而相比于离心泵和轴流泵,混流泵的设计开发依然没有成熟的理论体系,特别是针对高比转速蜗壳式混流泵,国内外对其研究甚少,缺乏可靠的水力模型。蜗壳式混流泵具有轴向尺寸短、机组的运行稳定性和可靠性高的优势,因此深入开展高比转速蜗壳式混流泵的水力设计研究成为必然。传统混流泵的水力设计方法通常借用离心泵的一元理论设计方法和轴流泵的奇点法与升力法,这些方法不仅要求设计者有充分的水力设计经验并且需要大量的时间和成本对模型进行反复修改和试验。本文结合工程实际需要应用准正交面三元流动理论方法完成了比转速为603的蜗壳式混流泵的水力设计,并分别通过三维定常和非定常数值模拟计算,研究其内部流场特性和压力脉动特性,以验证三元流动水力设计方法的可靠性,并为混流泵的稳定运行提供支撑。本文主要研究内容如下:1.根据准正交面三元流动计算,由三个运动方程和一个连续性方程,建立速度梯度方程,并将速度梯度方程分解成三个方向来求解流体质点速度,从而探索叶轮流场正问题计算方法。2.以速度系数法确定叶轮基本尺寸以及轴面投影图,给定“S”型速度矩分布规律对叶片型线方程进行积分,完成初始叶轮设计。并以MATLAB为开发平台编写程序对初始叶轮进行正反问题迭代运算直到收敛,从而完成叶轮的最终设计。3.采用PRO/E对所设计混流泵叶轮、蜗壳、进出口延长段进行三维建模和装配,将模型导入ICEM进行网格划分,结合CFX在不同工况下进行三维定常数值模拟,并作外特性分析。4.以设计工况下定常计算结果为初始条件,选取该泵内部流道各监测点进行三维非定常数值模拟,并通过时域图和频域图研究其内部流场压力脉动特性。通过以上工作得出如下结论:1.根据定常模拟结果所得泵内流场流线图、静压云图可以看出,该泵在设计工况和小流量工况下流线光滑合理,静压分布均匀有对称性,内部流动比较平稳,通过与采用速度系数法设计的原型泵水力性能对比,新型泵在设计工况点效率有了提高。2.在高比转速蜗壳式混流泵的水力设计过程中,采用“S”型速度矩沿流线的分布规律得到了合理的结果,为后续开展系列的高比转速蜗壳式混流泵的设计奠定了理论和方法基础。3.通过非定常模拟所得泵流道内各监测点压力脉动特性表明,叶轮内流动比较复杂,并受到轴频和叶频双重影响,压力脉动周期性从叶轮进口到出口逐渐趋于稳定;蜗壳内叶频占主导地位,压力脉动波形稳定,周期性良好,振幅沿着蜗壳轮廓线从隔舌处往蜗壳出口方向依次减弱,并随径向距离的增加而衰减。4.本文采用准正交面三元流动理论方法设计了高比转速蜗壳式混流泵,数值计算结果表明该方法使泵内部流场更接近其真实三维流场,可以更好地满足对高比转速蜗壳式混流泵稳定运行的要求。
【关键词】：蜗壳式混流泵 三元理论 水力设计 正反问题 数值模拟
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH313
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-18
• 1.1 引言12
• 1.2 混流泵分类12-13
• 1.3 国内外研究现状分析13-17
• 1.3.1 混流泵研究进展13-14
• 1.3.2 三元理论研究进展14-16
• 1.3.3 CFD的发展及其在水泵设计中的应用16-17
• 1.4 本文主要内容17-18
• 第二章 混流泵三元流动计算18-30
• 2.1 泵内三元流动理论概述18-19
• 2.2 三元流动计算基本方程19
• 2.3 三元流动准正交面计算19-29
• 2.3.1 计算方法定义20-21
• 2.3.2 方向导数公式推导21-27
• 2.3.3 流量积分27
• 2.3.4 流量等分反插27-28
• 2.3.5 流线校正28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 混流泵叶轮三元水力设计30-43
• 3.1 概述30
• 3.2 速度系数法设计初始叶轮30-37
• 3.2.1 泵性能参数确定30-31
• 3.2.2 泵几何参数确定31-33
• 3.2.3 轴面流线的绘制33-35
• 3.2.4 叶片绘型35
• 3.2.5 速度矩分布规律35-36
• 3.2.6 叶片加厚36-37
• 3.3 叶轮正反问题迭代程序设计37-42
• 3.3.1 MATLAB简介37-39
• 3.3.2 迭代计算39-42
• 3.4 本章小节42-43
• 第四章 高比转速蜗壳式混流泵定常流动数值模拟43-56
• 4.1 概述43
• 4.2 控制方程与湍流模型选择43-45
• 4.2.1 控制方程43-44
• 4.2.2 湍流模型44-45
• 4.3 计算模型建立及网格划分45-49
• 4.3.1 叶轮三维造型45
• 4.3.2 蜗壳设计45-46
• 4.3.3 计算模型建立46-47
• 4.3.4 网格划分47
• 4.3.5 网格无关性检查47-48
• 4.3.6 定常数值模拟基本设置48-49
• 4.4 数值模拟结果分析49-54
• 4.4.1 泵内流场速度分析49-50
• 4.4.2 泵内流场静压分析50-51
• 4.4.3 叶轮叶片表面静压分析51-53
• 4.4.4 速度矩分布规律验证53-54
• 4.4.5 水力性能对比54
• 4.5 本章小结54-56
• 第五章 高比转速蜗壳式混流泵非定常流动数值模拟56-64
• 5.1 概述56
• 5.2 非定常计算基本设置56-58
• 5.2.1 非定常计算参数设置56
• 5.2.2 压力脉动监测点设置56-58
• 5.3 压力脉动分析方法58-59
• 5.3.1 时域法58
• 5.3.2 频域法58-59
• 5.4 混流泵压力脉动特性分析59-63
• 5.4.1 压力脉动时域特性59-61
• 5.4.2 压力脉动频域特性61-63
• 5.5 本章小结63-64
• 第六章 总结与展望64-67
• 6.1 工作总结64-65
• 6.2 工作展望65-67
• 参考文献67-72
• 致谢72-73
• 作者攻读硕士学位期间发表的论文73

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本文编号：1071293