压力梯度对离心泵叶轮性能影响的研究

发布时间：2017-10-22 06:27

  本文关键词：压力梯度对离心泵叶轮性能影响的研究

  更多相关文章： 离心泵 压力梯度 数值模拟 优化设计

【摘要】：离心泵叶轮流道内的压力梯度是影响速度场分布的重要因素,而速度场的分布直接决定了叶轮性能的高低,因此在叶轮的水力设计中需考虑压力梯度对流动的影响。本文采用理论分析与数值计算相结合的方法研究了压力梯度对离心泵叶轮性能的影响。首先从理论上阐述了无压力梯度、顺压力梯度及逆压力梯度对流动的影响,理论分析表明:不同形式的压力梯度与流动的关系可以归纳为液体所受表面力与惯性力的相互作用问题。逆压梯度环境下,液体所受表面力与惯性力相反,对流动起阻碍作用,同时能加速边界层分离。其次应用CFD技术,对几种不同几何形状的渐扩管进行了内流场计算,从速度分布和水力损失两方面,阐述了不同分布规律的压力梯度对渐扩管内流动及其水力性能的影响,结果表明:渐扩管内过流面积分布是影响其内部压力梯度分布的主要因素。压力梯度越小,渐扩管水力性能越佳。离心泵叶轮流道内压力梯度取决于流道长度和流道内过流面积分布,改变叶片几何参数是控制叶轮流道长度和流道内过流面积分布的最直接手段。以比转速为63的单级单吸离心泵为研究对象,以降低叶轮流道内压力梯度为目标,通过调整叶片包角和进出口安放角的方式,研究了影响叶轮流道内压力梯度分布规律的主要因素,以及压力梯度与叶轮水力效率之间的关系。主要研究过程及结论如下:(1)保证叶片进出口安放角不变调整叶片包角。研究发现:当叶片进出口安放角不变时,随着叶片包角增加流道延长,出口与进口的过流面积比随之增加;流道各位置上过流面积减小,均呈现出先减小再增加的过流面积分布规律;各新设计的水力模型叶轮流道内压力梯度分布较为相似,呈线性递增规律;保持叶片进出口安放角不变只增大叶片包角,并不能有效改善流道内的压力梯度分布情况;由于壁面摩擦损失增多和流道的排挤效应增强,叶轮水力效率随包角的增加而下降;(2)增大叶片包角的同时调整叶片进出口安放角。研究发现:叶片包角增大的同时调整叶片进出口安放角,以使叶片型线成光滑过渡,流道进一步延长,出口与进口的过流面积比随之减小;由于流道出口过流面积显著减小,从而产生不同的过流面积分布规律;流道前部的压力梯度基本不受影响,从流道中后部开始,随着叶片包角的增大压力梯度明显降低,叶轮水力效率随之提升;(3)叶片包角不变调整叶片进出口安放角。研究发现:叶片包角不变时,随着进出口安放角的减小,流道长度基本不变,出口与进口的过流面积比随之减小;出口角对过流面积的影响远大于进口角;随着流道出口与进口的过流面积比减小,流道中后部压力梯度相应降低,叶轮水力效率进一步提升。通过系统研究表明,流道压力梯度分布是制约叶轮性能的重要因素。流道内的压力梯度分布规律由过流面积分布规律决定,叶片包角和叶片出口安放角是影响过流面积分布规律的主要因素。在一定范围内增大叶片包角并减小出口安放角,能够有效降低流道中后部的压力梯度,不仅能延缓或避免边界层分离现象的发生,同时可以改善速度场分布,减小速度梯度,从而降低叶轮内的水力损失,提高叶轮效率。最后,基于降低流道内压力梯度的叶轮水力设计方法,对一台节段式多级离心泵的首级与次级叶轮进行水力研发,并进行了试验验证,结果表明:所设计的多级泵各项指标正常,满足设计要求,并具有较宽的高效区。CFD预测曲线与试验性能曲线高度吻合,验证了数值计算方法的准确性,更是验证了压力梯度对叶轮性能影响研究成果的可靠性与可行性。本文的结论加深了对流体机械内流机理的认知程度,为离心泵叶轮水力研发和优化设计提供重要的参考信息,具有较高的工程应用价值。
【关键词】：离心泵 压力梯度 数值模拟 优化设计
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH311
【目录】：

• 摘要8-10
• Abstract10-13
• 第1章 绪论13-18
• 1.1 研究背景及意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-16
• 1.2.1 叶轮内部流动特征研究现状14-15
• 1.2.2 叶轮几何参数变化对流动及其性能影响研究现状15-16
• 1.3 主要研究内容16-17
• 1.4 研究方法17
• 1.5 创新点17-18
• 第2章 数值模拟方法概述18-30
• 2.1 CFD基本理论18-25
• 2.1.1 流动控制方程18-21
• 2.1.2 湍流模型21-22
• 2.1.3 离散方法与离散格式22-23
• 2.1.4 SIMPLE算法23-25
• 2.2 研究对象25-26
• 2.3 边界条件26-27
• 2.4 可靠性验证27-28
• 2.5 计算结果后处理28-29
• 2.6 本章小结29-30
• 第3章 压力梯度对流动影响概述30-39
• 3.1 压力梯度对流动的影响30-32
• 3.1.1 库埃特流动30-31
• 3.1.2 压力梯度对边界层分离的影响31-32
• 3.2 逆压梯度对流动的影响32-38
• 3.2.1 过流面积不同的变化趋势对流动的影响32-36
• 3.2.2 出口与进口面积比对流动的影响36-38
• 3.3 本章小结38-39
• 第4章 压力梯度对离心泵叶轮性能的影响39-54
• 4.1 技术路线39-40
• 4.2 叶片进出口安放角不变调整包角40-43
• 4.3 同时调整叶片进出口安放角和叶片包角43-46
• 4.4 叶片包角不变调整叶片进出口安放角46-49
• 4.5 压力梯度对叶轮内流场结构的影响49-53
• 4.5.1 压力梯度对边界层分离的影响50-51
• 4.5.2 压力梯度对速度梯度的影响51-53
• 4.6 本章小结53-54
• 第5章 基于低压力梯度的离心泵叶轮水力设计应用54-61
• 5.1 几何结构54-55
• 5.2 设计参数55-56
• 5.3 性能预测及分析56-58
• 5.3.1 外特性预测56-57
• 5.3.2 内流场分析57-58
• 5.4 试验验证58-59
• 5.5 本章小结59-61
• 结论与展望61-63
• 结论61-62
• 展望62-63
• 参考文献63-68
• 致谢68-69
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录69

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 司乔瑞;林刚;袁寿其;曹睿;;高效低噪无过载离心泵多目标水力优化设计[J];农业工程学报;2016年04期

2 郑路路;窦华书;蒋威;陈小平;朱祖超;崔宝玲;;基于能量梯度方法的叶片数对离心泵稳定性影响研究[J];浙江理工大学学报;2016年01期

3 赵伟国;盛建萍;杨军虎;宋启策;;基于CFD的离心泵优化设计与试验[J];农业工程学报;2015年21期

4 陈然伟;曾永忠;刘小兵;;叶片进口边位置对船用离心泵性能的影响——数值模拟与试验[J];科学技术与工程;2015年26期

5 杨从新;富友;强盼;刘洋;;不同压出室下叶轮切割对离心泵性能的影响[J];排灌机械工程学报;2015年09期

6 杨军虎;边中;钟春林;李吉成;;基于水力损失计算的离心泵叶轮叶片出口角选择方法[J];水泵技术;2015年03期

7 吴贤芳;谈明高;刘厚林;丁剑;;流固耦合作用对离心泵关死点内流的影响[J];应用基础与工程科学学报;2015年01期

8 吴贤芳;刘厚林;杨洪镔;谈明高;王凯;;基于粒子图像测速的离心泵叶轮内流动分离测试与分析[J];农业工程学报;2014年20期

9 任芸;吴登昊;刘厚林;蒋兰芳;;离心泵内部不稳定流动的PIV测试[J];农业机械学报;2015年02期

10 TAN Lei;ZHU Baoshan;CAO Shuliang;BING Hao;WANG Yuming;;Influence of Blade Wrap Angle on Centrifugal Pump Performance by Numerical and Experimental Study[J];Chinese Journal of Mechanical Engineering;2014年01期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 王秀勇;离心泵流动特征的数值分析[D];浙江大学;2007年

2 郭琳琳;边界层稳定性的非平行性和压力梯度作用研究[D];南京航空航天大学;2005年

，

本文编号：1077140