基于内流场分析的离心泵叶轮设计开发与优化

发布时间：2017-04-03 11:09

  本文关键词：基于内流场分析的离心泵叶轮设计开发与优化，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：离心泵在工农业各个部门中广泛运用,在国民经济建设部门中都是必不可少的动力设备,其每年的耗电量占整个工业设备总消耗的25%以上。但离心泵在国内的节能效果比国外低了10%～20%,因此在该领域增强现有的技术手段和改善技术方法对国民经济发展具有重要的意义。随着计算机技术的迅猛发展,CFD技术也逐渐进入流体设计行业,该技术在各大企业得到逐步推广,运用CFD对离心泵进行设计改造将成为主流技术。本文将运用CFD技术中的FLUENT软件对离心泵的内流场进行模拟分析,以离心泵的三个结构参数为变量,进行性能对比,分析得出设计改造方案。本文详细介绍了CFD中的湍流模型和控制方程,以及各边界条件的设置要领。本文选用单级单吸IS 50-32-160型清水离心泵作为研究对象,运用大型三维建模软件SolidWorks对离心泵的叶轮和蜗壳的内流场进行模型建立,并对叶轮直径、叶轮出口宽度和叶片出口安装角进行了参数系列化,方便分析对比。接着在三个结构参数大小有序调整的基础上,运用计算流体力学软件FLUENT对该离心泵,在同一工况下,分别进行计算。经过数值模拟计算,可以从软件的后处理中得出离心泵大量的内流场动静力学信息,包括各部件和区域的压力云图及速度矢量图等。通过对不同的叶轮直径、叶轮出口宽度和叶片出口安装角的整机、叶轮、蜗壳、叶片和隔舌的分析,可得出：各个流场内的压力和速度分布与理论分析保持一致性,并在此过程中直观地观察到一些不良流动现象,如压力升降梯度大、高负压、旋涡和回流等,从侧面反映了计算结果的可靠性和此方法的可行性。通过FLUENT后处理可计算出各个物理量,并计算出并扬程、效率等离心泵性能参数,绘制曲线,在曲线中直观了解各个结构参数与扬程、效率等性能参数的关系,并将其与数学计算结果进行对比,得出结论为：仿真模拟计算结果与数学计算趋势基本一致,其中存在的偏差在误差范围内。此方法可软件模拟实现设计改造,为节能提供数据方案。本文采用计算机辅助方法对离心泵内流场进行分析,避免实验条件的约束,可以更直观地观察内部情况和得到更为充分的数据。这些研究工作,对提高离心泵的设计和优化水平具有较高的参考价值。
【关键词】：离心泵 叶轮 蜗壳 三维建模 流场分析
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH311
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-16
• 第一章 绪论16-20
• 1.1 研究背景及课题提出16-17
• 1.2 离心泵技术及运用17-18
• 1.3 研究内容18-20
• 第二章 离心泵内流场分析的理论基础20-35
• 2.1 概述20
• 2.2 计算流体动力学基础20-29
• 2.2.1 计算流体动力学简介20-21
• 2.2.2 流体与流动的基本特性21-22
• 2.2.3 流体动力学控制方程22-25
• 2.2.4 湍流模型25-27
• 2.2.5 两方程模型27-29
• 2.3 计算流体动力学在离心泵的运用29
• 2.4 离心泵的结构参数与性能参数29-33
• 2.4.1 离心泵的构成29-30
• 2.4.2 叶轮结构参数30
• 2.4.3 叶轮结构参数与离心泵性能之间的关系30-33
• 2.5 离心泵的薄弱环节33-35
• 2.5.1 机械损失33
• 2.5.2 容积损失33-34
• 2.5.3 汽蚀34-35
• 第三章 离心泵流道实体建模35-47
• 3.1 概述35
• 3.2 SolidWorks建模软件介绍35-36
• 3.3 叶轮和涡室建模相关结构参数36-37
• 3.4 叶轮流道三维建模37-42
• 3.4.1 以叶轮外径D_2为参数变量的流道模型建立37-40
• 3.4.2 以叶片出口安装角β_(2g)为参数变量的流道模型建立40-41
• 3.4.3 以叶轮出口宽度B为参数变量的流道模型建立41-42
• 3.5 蜗壳流道三维建模42-45
• 3.5.1 以B和β_(2g)为变量对应的蜗壳流道模型建立42-44
• 3.5.2 以D_2为变量对应的蜗壳流道模型建立44-45
• 3.6 整机装配模型45-46
• 3.7 本章小结46-47
• 第四章 离心泵内流场分析47-60
• 4.1 概述47
• 4.2 GAMBIT软件简介47-49
• 4.2.1 GAMBIT网格化的主要步骤47-48
• 4.2.2 GAMBIT软件的特点48
• 4.2.3 GAMBIT具体选择48-49
• 4.3 离心泵网格化49-51
• 4.4 FLLUENT简介51-52
• 4.5 叶轮和蜗壳的耦合52-53
• 4.5.1 多重参考坐标系模型52-53
• 4.5.2 混合平面模型53
• 4.5.3 滑移网格模型53
• 4.6 边界条件53-55
• 4.6.1 进口边界53-54
• 4.6.2 出口边界54
• 4.6.3 壁面边界54-55
• 4.7 离心泵内流场分析55-59
• 4.8 本章小结59-60
• 第五章 离心泵内流场分析后处理60-87
• 5.1 概述60
• 5.2 方程的收敛残差60
• 5.3 以叶轮直径D_2为变量的分析60-67
• 5.3.1 方程残差收敛60-62
• 5.3.2 整机分析62-64
• 5.3.3 叶轮前盖板分析64-66
• 5.3.4 隔舌的速度场分析66-67
• 5.3.5 仿真计算数据统计67
• 5.4 以离心泵出口宽度B为变量的分析67-72
• 5.4.1 方程残差收敛67-69
• 5.4.2 整机分析69-70
• 5.4.3 隔舌的速度分析70-71
• 5.4.4 叶片的分析71-72
• 5.4.5 仿真计算数据统计72
• 5.5 以叶轮出口安装角β_(2g)为变量的分析72-77
• 5.5.1 方程残差收敛72-74
• 5.5.2 叶轮分析74-75
• 5.5.3 蜗壳的速度矢量分析75-76
• 5.5.4 仿真计算数据统计76-77
• 5.6 离心泵的性能参数与各变量之间的关系77-82
• 5.6.1 离心泵扬程H77-78
• 5.6.2 离心泵的功率P78
• 5.6.3 离心泵的效率η78-79
• 5.6.4 离心泵结构参数与离心泵性能之间的联系79-82
• 5.7 曲线分析82-86
• 5.7.1 以D_2为变化量的分析82-83
• 5.7.2 以B为变化量的分析83-84
• 5.7.3 以β_(2g)为变化量的分析84
• 5.7.4 参数的综合选择84-86
• 5.8 本章小结86-87
• 总结87-90
• 参考文献90-93
• 攻读学位期间发表的论文93-95
• 致谢95

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