前置诱导轮高速离心泵内空化发展的数值模拟与实验研究

发布时间：2020-05-29 00:23

【摘要】：高速化和大功率密度是离心泵发展的主要趋势,高速运转的离心泵对抗空化性能有较高的要求,目前最有效的方法是在离心泵叶轮前加装诱导轮。然而在高速旋转工况下,诱导轮的叶顶泄漏涡会造成前缘叶顶处发生涡空化;并且在较低汽蚀余量时,诱导轮的不对称空化和空化喘振等不稳定空化流动会严重干扰诱导轮和叶轮内部流场,进而影响高速离心泵的运行可靠性。因此,本文针对一台前置诱导轮的高速离心泵进行数值模拟研究,利用高速摄影技术对诱导轮和叶轮内空化流动进行可视化拍摄实验。通过数值模拟与实验研究相结合的方法,分析了前置诱导轮高速离心泵内空化发生、发展及恶化阶段的内部空化流态变化,研究了相应的离心泵内流动分布特征,揭示了空化流动规律以及空化对离心泵内部流场和性能的影响。研究结果对高速离心泵设计特别是诱导轮的设计提供借鉴,达到减少空化对离心泵内部流动干扰和破坏,进而提高高速离心泵抗空化性能的目的。本文的主要研究内容如下:1.利用ANSYS-CFX商业软件,对前置诱导轮高速离心泵进行非定常空化数值模拟,将计算得到的扬程、效率和汽蚀余量等参数与外特性实验结果进行对比,验证了数值计算具有较高的准确性和可行性。2.针对离心泵内部非定常空化流动特性进行分析,首先对比分析了不同汽蚀余量下诱导轮叶栅面和叶轮后盖板上的压力云图和空泡体积分数分布图,发现诱导轮叶顶前缘和叶轮进口根部最容易产生空化。并分析了高速离心泵内空化发生、发展和恶化过程,以及相应的空化流态变化;分析了不同汽蚀余量下沿诱导轮轴向位置的压力系数分布、空泡体积分数分布和叶片载荷分布规律,发现离心泵空化发展过程对压力系数分布影响较不明显,对叶片载荷分布影响较大。3.采用高速摄像技术对前置诱导轮高速离心泵内的空化流动进行了可视化拍摄实验,得到了不同汽蚀余量下诱导轮和叶轮流道内的空化演变过程。通过对可视化拍摄结果分析,将前置诱导轮高速离心泵内空化发展过程分为三个阶段:空化初生阶段、空化发展阶段和空化恶化阶段,进一步揭示了离心泵内空化发展过程和诱导轮不稳定空化流动的时空演变规律。
【图文】：

三维结构图,整机,质量守恒方程

图2.2整机三维结构图2.2数值模拟方法2.2.1控制方程在计算流体力学中，控制方程主要有质量守恒方程和动量守恒方程，假设忽略温度和重力对内部流场的影响，工作介质为清水和蒸汽，并且不考虑其压缩性。（1）质量守恒方程质量守恒方程又称连续性方程，在任意区域内某种守恒量总量的改变，等于从边界进入或离去的数量；守恒量不能够增加或减少，只能够从某一个位置转移到另外一个位置。( ) ( ) ( )0t x y z u v w2-(1)式中，，为流体介质密度，t 为时间量，u、v、w 分别为 x、y、z 方向上速度矢量的分量。

网格,信息方案,计算效率,全流场

论文前置诱导轮高速离心泵内空化cond=0.01；气核体积分数 nuc=5×10-4；空泡半径 ]。进行网格划分，其中对进口段、叶轮、前后腔间网格划分，对诱导轮流道进行四面体非结构化网示。由于网格无关性对计算精度具有重要影响，）828722；（2）1625325；（3）2465566；（4）426不同网格数的离心泵进行数值计算，结果如表 2知，当网格数达到 426 万（方案 4），随着网格数 1%。最终对计算精度和计算效率进行综合考虑95。
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH311

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