基于不同湍流模型的离心泵内部流场数值模拟与分析

发布时间：2020-07-23 01:34

【摘要】： 离心泵在工农业生产及国民经济的许多部门有着广泛的应用,是一种重要的水力机械。进行离心泵内部流动特性的研究对于泵的优化设计,以及改善泵的运行特性具有重要影响。实现离心泵内部流动的数值模拟,不仅具有理论意义,更具有重要的工程实用价值。近年来,随着计算流体力学技术的发展,从研究离心泵内部流体流动机理出发,使用数值仿真技术研究离心泵的内部流动,利用数值仿真的结果来指导泵的设计已经成为重要的研究方向。采用数值模拟手段,一方面可以节省试验的资源,缩短新产品的研制时间；另一方面,它可以得到从试验中难以得出的流体流动的细节。并且,随着计算机运行速度和内存的飞速提高,更多的湍流模型和计算方法被应用到离心泵的三维流动计算中,使得离心泵内三维湍流模型的数值计算不断得以发展。然而通用的模型迄今还不存在,不同的情况需要不同的湍流模型。选取合适准确的湍流模型,不仅对计算精度的影响很大,而且对计算的难易程度影响很大,要得到与实际情况相符合的模型还有待于进一步探讨和研究。本文以IS150-125-250型中比转数离心泵作为研究对象,分别将标准κ-ε模型,RNG k-ε模型,剪切压力传输SST k-ω模型以及标准κ-ω模型四种不同的湍流模型应用于离心泵叶轮内的三维流动计算中。首先,根据离心泵内部流场的特点建立了控制方程,对标准κ-ε模型,RNG k-ε模型,剪切压力传输SST k-ω模型以及标准κ-ω模型的应用范围和特点进行了介绍。其次,采用Pro/ENGINEER三维造型软件对离心泵进行三维实体造型。然后,采用非结构化网格和SIMPLEC算法,在FLUENT软件中分别对0.5Q、0.8Q、1.0Q、1.2Q和1.5Q工况采用上述模型进行了离心泵内部流场的数值模拟和性能预测,计算了泵的扬程、轴功率和效率。将模拟计算的结果与在水泵试验台上进行测试得到的试验结果进行对比得到：五种工况下四种湍流模型的计算结果(性能曲线)与试验性能曲线的趋势基本一致。在设计工况下计算值与试验值吻合较好,而在大流量和小流量工况下计算值与试验值的吻合度相对较差。其中,采用SST k-ω模型计算得到的流量、扬程和效率曲线最为理想,与试验性能曲线的吻合度也较好。而采用κ-ω模型计算得到的性能曲线最不理想,模拟效果较差。通过对不同湍流模型及不同工况下离心泵内部流场的分析可以得到：采用SST k-ω模型进行内部流场的模拟得到的静压分布和速度分布比较均匀,流态更好,更接近于实际情况,这与性能曲线的对比结果相吻合。在大流量和小流量工况下,流场的静压分布和速度分布相对不均匀,并且在靠近隔舌和叶轮流道出口的地方,有流动紊乱现象。而在设计工况下,叶片正背面,叶轮前后盖板以及蜗壳的静压分布和速度分布都比较均匀,流动紊乱现象不太明显,流场的分布最为合理,与实际情况最为相符。这也证明了所采用的计算方法具有较高的可靠性,SST k-ω模型能够很好地用来对IS150-125-250型离心泵进行流场计算与性能预测。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TH311
【图文】：

轴面投影图

计效率并降低了设计难度〔481。3.3.1叶轮的造型研究根据15150一125一250型单级单吸离心泵的轴面投影图和叶片剪裁图，以及蜗壳的尺寸图，在Pro/ENGINEE软件中对离心泵的流道进行三维造型。

叶片,单吸离心泵,轴面投影图,尺寸图

木模剪裁图未直接提供前、后盖板流线与截线交点的z坐标，这就使得叶片的造型过程十分麻烦。本文使用了一种不同的叶片造型方法。这种方法的具体操作步骤是:首先在草绘工具中，以前后盖板平面为基准面草绘出叶片线，如图3.3。然后，在“编辑”菜单中选择“投影”命令，将其投影到己生成的前盖板和后盖板曲面上，如图3.4和图3.5。在图3.4和图3.5中，红色曲线为草绘叶片线，蓝色曲线为投影以后的叶片线。这样，便分别得到了前后盖板上的叶片线。然后，对四条叶片线使用“边界混合”命令，便可生成叶片，如图3.6。我们知道，叶片木模剪裁图是由空间叶片线投影到平面上而得到的。因此，这种方法实际上是对叶片木模剪裁图的产生过程进行反推。图3.3叶片线图3.4叶片线在前盖板的投影

【引证文献】