基于环量分布的高比转速混流泵设计、数值模拟及试验研究

发布时间：2020-08-09 00:14

【摘要】： 高比转速混流泵的主要过流部件是叶轮。叶轮是较为重要的转能装置,根据不同环量分布的要求可设计出不同叶片形状的高比转速混流泵,本文中设计主要采用了上凸环量分布、线性环量分布和下凸环量分布三种分布对叶轮进行设计。水泵内部的压力分布是否合理(压力梯度均匀)、速度矢量是否流畅(回流和二次流)、流线是否均匀和流畅、数值效率是否高等,一直是泵设计人员十分关心的问题。随着计算机技术及计算流体力学等新学科的飞速发展,利用CFD对混流泵进行内部流场计算成为可能,并已成为重要的设计手段。本文对高比转速混流泵全三维内部流场进行数值模拟,进而了解泵内流动的速度分布、压力分布等流动规律,并且为叶轮叶片设计提供参考。本文将进口喇叭管、叶轮、导叶体和出口弯管四个过流部件进行耦合,采用二元理论设计高比转速混流泵叶轮,共设计模型3个,模拟其内部流场最设计工况下的三维不可压缩湍流场,分析其内部流动,揭示其内部流动的主要现象、特征,从而为高比转速混流泵的优化设计及性能改进提供依据,主要工作如下: 1.简要介绍了国内外高比转速混流泵研究现状,阐述了高比转速混流泵的设计方法,并在此基础上,根据设计参数,对3个模型泵(上凸环量分布、线性环量分布、下凸环量分布)及与之对应的空间导叶进行设计; 2.运用Pro/Engineer Wildfire对设计的高比转速混流泵整体过流通道(包括进口喇叭管、叶轮流道、导叶体流道、出口弯管)进行三维造型,造出3个模型泵实体; 3.简要介绍了大涡模型和数值模拟相关软件,并利用ICEM-CFD,对高比转速混流泵内部过流通道进行网格划分; 4.采用Ansys CFX中提供的κ-ε为湍流模型,利用有限体积法对雷诺平均N-S方程进行数值离散,对三个模型泵的不同流量下的三维不可压缩、定常、湍流场进行了数值模拟,得到了高比转速混流泵内部流场分布;并且对模型1的三维不可压缩、非定常、湍流场进行大涡数值模拟,得到其非稳态运行时流场分布; 5.介绍了扬程、轴功率、水力效率预测值的计算方法和公式,对三个模型外特性曲线进行性能预测,最后将模型1性能预测曲线与试验得到的外特性曲线进行比较。通过以上工作,主要得到了以下结论: 1.CFD方法方便、快捷,能较为准确的反映高比转速混流泵内部流场的分布规律; 2.模型2最高效率值较其它2个模型高,模型1的高效区范围在3个模型中最宽,而且模型1的马鞍区较小,模型2出现了较小的驼峰区,今后应对其模型进行修改,以避免驼峰的出现。 3.通过非稳态场的分析,揭示了稳态场所不能揭示的高速旋转叶轮以及导叶中各监测点与时间形成的周期变化和脉动现象。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH313
【图文】：

喇叭管

进而将它们装配起来，得到高比转速混流泵整体的三维实体造型。3.5.1进口喇叭管和弯管进口喇叭管和弯管形状较为规则，且造型比较简单，图3.8、图3.9即进口喇叭管和弯管的三维造型。图3.8进口喇叭管图图3.9弯管图3.5.2叶轮高比转速混流泵的叶轮叶片为空间扭曲叶片，对于此类不规则曲面的三维造型，本文采用“点一线一面一体”的思路，具体步骤如下:(l)输入叶片压力面流线、轮毅断面及轮缘断面与压力面交线上点的空间坐标，得到确定叶片压力面所需的一系列点，叶片吸力面采用相同方法操作;(2)将上述相关点分别用曲线连接，得到压力面、吸力面上的流线分布以及轮毅、轮缘与叶片交界面处的空间曲线;(3)将相关空间曲线拟合，得到叶片压力面与吸力面。若所得曲面并非十分光顺，则需返回第一步，检查相应位置点的坐标值并做出适当调整;(4)将压力面、吸力面、进口断面、出口断面、轮毅断面以及轮缘断面等六个曲面集实体化，得到叶轮叶片的初步三维实体造型;

装配图,装配图,模型,叶片

叶片图叶片图叶片图应用Pro/Engineer对叶轮轮毅和叶片、导叶轮毅和导叶叶片进行装配，从而得到计算所需不同环量分布的3个模型实体造型，如下图3.16~图3.18.图3.16模型1装配图图3.17模型2装配图图3.18模型3装配图

【参考文献】