蜗壳式潜污轴流泵内流数值模拟与试验研究

发布时间：2017-03-25 18:14

  本文关键词：蜗壳式潜污轴流泵内流数值模拟与试验研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：轴流泵是一种被广泛应用的高比转速叶片泵,其压水室一般为导叶式。本文研究的蜗壳式潜水轴流泵具有过流能力强,安装方便,节约成本等优点。目前对于蜗壳式轴流泵的研究还很少,尤其是利用计算流体力学方法和试验对蜗壳式轴流泵进行水力优化,研究其内流场特性,结构特性以及压力脉动的变化趋势。本文以理论分析为基础,运用ANSYS-CFX对蜗壳式轴流泵的水力模型进行数值模拟,对其结果进行分析研究后,将水力模型进行了优化。并对其内部监测点的压力脉动情况进行了时域分析以及频率分析;同时对其结构进行了流固耦合计算,最后生产加工水泵进行试验。本文的主要研究内容和结论有:1.对蜗壳式轴流泵进行了设计和定常数值模拟,通过数值模拟计算对蜗壳断面形状,蜗壳基圆直径,蜗壳进口宽度三个方面进行对比优化。优化结果表明,“蜗壳3”的断面较原始方案和“蜗壳2”具有更好的外特性表现以及更顺畅的流场分布;基圆直径180mm的蜗壳,扬程和效率要高于其余170mm和190mm,较大的基圆对叶轮运动有一定影响,但影响较小。而较大的基圆直径会增加液体在蜗壳中的能量损失。蜗壳进口宽度对蜗壳式轴流泵外特性影响较小,蜗壳进口宽度为100mm时,整个外特性表现较好。将蜗壳式轴流泵与导叶式轴流进了对比,对比发现导叶式轴流泵的扬程和效率明显高于蜗壳式轴流泵。2.对蜗壳式轴流泵进行了非定常数值计算,对叶轮进出口、蜗壳内的压力脉动以及叶轮所受轴向力、径向力进行了分析。叶轮进出口与蜗壳内不同断面位置的监测点压力脉动规律明显。叶片进口监测点压力脉动幅度从轮缘到轮毂侧压力脉动幅度与范围逐渐减小。叶轮进出口的监测点其主频为叶频;在0.8Qopt、1.0Qopt、1.2Qopt三个工况时,监测点主频均以叶频为主。在0.8Qopt、1.0Qopt、1.2Qopt三个工况下,叶轮受到的径向力与轴向力随时间变化有明显的规律。3.分别对不同工况下流体载荷对叶轮,轴,蜗壳三个结构所受到的应力分布以及结构变形进行了计算和分析,结果表明:流体荷载对叶轮受力及变形起主要作用;施加流体载荷后叶轮变形分布呈现不对称分布,随着流量的增加不对称性更加明显。叶轮变形随着半径的增加而增加,在叶轮出口外缘处最大。随着流量的增加,叶轮最大变量变小。不同流量工况下,蜗壳的应力分布与变形规律一致,蜗壳的变形呈现明显的不对称分布,第一断面到第五断面变形量逐渐增加,在第五断面变形量达到最大,第五断面到第七断面变形量逐渐减小,到叶轮出口处蜗壳变形几乎为零。轴上应力分布均匀,没有出现应力集中的现象,在靠近叶轮的轴段变形量较大,设计工况下强度满足要求。4.通过3D打印快速成型技术制作叶轮和蜗壳的聚氯乙烯模具,并经过机械加工生产装配出蜗壳式轴流泵模型泵。之后对蜗壳式轴流泵进行了外特性试验,对比试验结果与对应的加厚叶轮数值模拟结果可看出二者流量-扬程曲线和流量-效率曲线趋势保持一致,设计工况点效率相差1.2%,相对误差在3%之内,说明数值模拟结果是可信的。对蜗壳式轴流泵进行了压力脉动试验,在蜗壳主要断面与出口附近设置共4个压力传感器。结果表明在设计工况下,4个监测点的主频均在134Hz附近。
【关键词】：蜗壳式轴流泵 数值模拟 流固耦合 压力脉动 试验
【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】：TH312
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-17
• 1.1 研究背景目的及意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-16
• 1.2.1 蜗壳水力设计研究13-15
• 1.2.2 流固耦合研究15-16
• 1.3 本文主要研究内容16-17
• 第2章 蜗壳式轴流泵水力设计及定常数值计算17-40
• 2.1 蜗壳设计17-19
• 2.2 数值模拟理论基础19-28
• 2.2.1 流动控制方程19-22
• 2.2.2 湍流模型22-24
• 2.2.3 计算模型的网格划分24-25
• 2.2.4 网格无关性检验25-26
• 2.2.5 边界条件与初始条件的设定26-27
• 2.2.6 外特性27
• 2.2.7 原始方案结果分析27-28
• 2.3 蜗壳断面形状优化28-32
• 2.3.1 水力设计28-29
• 2.3.2 外特性预测29-30
• 2.3.3 内流场分析30-32
• 2.4 蜗壳基圆直径优化32-35
• 2.4.1 水力设计32
• 2.4.2 性能预测32-33
• 2.4.3 内流场分析33-35
• 2.5 蜗壳进口宽度优化35-37
• 2.5.1 水力设计35
• 2.5.2 性能预测35-36
• 2.5.3 内流场分析36-37
• 2.6 蜗壳式轴流泵与导叶式轴流泵对比37-38
• 2.7 本章小结38-40
• 第三章 蜗壳式轴流泵非定常数值模拟40-47
• 3.1 非定常设置40
• 3.2 脉动分析40-45
• 3.3 径向力与轴向力的计算分析45-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第4章 蜗壳式轴流泵结构强度分析47-55
• 4.1 静力结构分析基础47
• 4.2 有限元分析的预定义47-50
• 4.3 计算结果及分析50-54
• 4.3.1 叶轮与轴的应力分布及变形分析51-53
• 4.3.2 蜗壳的应力分布及变形分析53-54
• 4.4 本章小结54-55
• 第5章 试验研究及分析55-66
• 5.1 试验台介绍55-57
• 5.2 试验装置与仪器57-58
• 5.2.1 外特性试验测量装置57
• 5.2.2 压力脉动试验装置57-58
• 5.3 水泵模型58-60
• 5.4 试验内容与步骤60-61
• 5.5 模型试验结果及分析61-64
• 5.5.1 外特性对比61
• 5.5.2 压力脉动试验结果分析61-64
• 5.6 本章小结64-66
• 第6章 总结与展望66-68
• 6.1 研究总结66-67
• 6.2 研究展望67-68
• 参考文献68-71
• 致谢71-72
• 作者攻读硕士学位期间取得的相关科研成果72

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