船用离心泵参数化设计与流固耦合分析

发布时间：2017-10-03 08:07

  本文关键词：船用离心泵参数化设计与流固耦合分析

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【摘要】：本课题在中国船舶重工集团公司第704研究所国防预研项目“旋转类流体机械计算方法优化研究”(2012JX059F)和江苏省船舶先进设计制造技术重点建设实验室开放基金项目“基于柔性多体动力学的船用水泵振动特性研究”(CJ1201)资助下展开工作。离心泵作为重要的能量转换装置,广泛应用于国民经济与国防工业的各个领域,离心泵的设计与分析在节能减排、可持续发展方面具有重要的现实意义。复杂的工作环境、苛刻的可靠性要求向船用离心泵特别是军工设备用泵提出了更高的设计要求。本文以某系列船用二级离心泵为研究对象,主要研究内容如下:(1)全面分析了CAD技术在离心泵设计领域的国内外应用现状,在此基础上对面向设计制造集成的船用离心泵设计系统展开研究,给出了系统的处理流程与基本的功能划分。(2)结合速度系数法,基于VB完成叶轮水力设计模块的开发;在分析船用二级离心泵叶轮建模思路的基础上,应用UG/Open二次开发技术完成了叶轮的参数化建模与软件开发,为内流场数值模拟、转子系统流固耦合动力特性分析以及叶轮结构优化奠定基础。(3)以船用二级离心泵内流道水体参数化模型为基础,利用Hyper Mesh对内流道进行网格划分,选择SSTk??湍流模型,应用ANSYS14.5的CFX模块对不同工况条件下船用二级离心泵内流场进行定常数值模拟。全面分析了不同工况条件下内流场的速度分布与压力分布规律,预测了该离心泵的性能曲线,并通过实验验证了数值模拟分析的正确性与数值模拟设置的合理性。(4)探讨了不同载荷对转子系统的影响,得到水力载荷是影响转子系统动力特性主要原因的结论。基于单向流固耦合理论,应用Workbench14.5流固耦合分析模块(FSI:Fluid Flow(CFX)-Static Structural)构建分析框架,以内流场定常数值模拟分析结果为基础,将不同工况下的水压力载荷加载到转子系统上,对转子系统进行动力特性分析。全面分析了转子系统的应力、应变特点,比较了首末级叶轮叶片应力、应变分布规律的异同。此外,还分析了流量对转子系统动力特性的影响。
【关键词】：船用离心泵 设计系统 参数化设计 数值模拟 流固耦合
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U664.58
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-18
• 1.1 课题的理论意义与实用价值13-14
• 1.2 课题的研究现状14-16
• 1.2.1 离心泵CAD技术研究现状14-15
• 1.2.2 流固耦合理论与应用研究现状15-16
• 1.3 课题来源与主要研究内容16-17
• 1.4 本章小结17-18
• 第2章 计算流体力学与转子动力特性分析理论基础18-31
• 2.1 计算流体力学理论基础18-25
• 2.1.1 流体控制方程18-19
• 2.1.2 湍流理论19-20
• 2.1.3 湍流模型20-24
• 2.1.4 壁面函数理论24-25
• 2.1.5 控制方程离散25
• 2.2 流固耦合分析理论基础25-27
• 2.3 弹性结构动力学理论基础27-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第3章 船用离心泵设计系统与叶轮CAD模块研究31-45
• 3.1 船用离心泵设计系统体系研究31-34
• 3.1.1 系统研究背景与需求分析31-32
• 3.1.2 船用离心泵设计系统目标32-33
• 3.1.3 船用离心泵设计系统结构设计33-34
• 3.2 基于VB的叶轮水力设计模块开发34-35
• 3.3 基于NX的叶轮参数化建模模块开发35-44
• 3.3.1 UG NX二次开发技术35-36
• 3.3.2 叶轮建模方案分析36-37
• 3.3.3 叶轮叶片建模37-39
• 3.3.4 叶轮前、后盖板及轮毂参数化建模39-40
• 3.3.5 参数化建模系统实现40-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第4章 船用二级离心泵三维内流场定常数值模拟45-66
• 4.1 CFX简介45
• 4.2 船用二级离心泵流道三维建模与网格划分45-51
• 4.2.1 流道结构分析与三维建模45-48
• 4.2.2 Hyper Mesh简介48
• 4.2.3 非结构网格48
• 4.2.4 船用二级离心泵流道网格划分48-50
• 4.2.5 网格质量检查50-51
• 4.3 数值模拟前处理51-54
• 4.3.1 边界条件设置51
• 4.3.2 网格交界面处理51-52
• 4.3.3 网格连接方式52
• 4.3.4 求解器控制52-54
• 4.4 模拟结果分析54-65
• 4.4.1 不同工况下内流场速度分析54-58
• 4.4.2 不同工况下内流场压力分析58-61
• 4.4.3 离心泵外特性预测61-63
• 4.4.4 离心泵性能实验验证63-65
• 4.5 本章小结65-66
• 第5章 基于流固耦合的船用二级离心泵转子系统动力特性分析66-80
• 5.1 引言66
• 5.2 船用二级离心泵转子系统几何模型建立66-67
• 5.3 船用二级离心泵转子系统流固耦合分析求解67-70
• 5.3.1 转子系统非结构网格划分68-69
• 5.3.2 转子系统材料定义69
• 5.3.3 载荷与约束69
• 5.3.4 定义流固耦合面69-70
• 5.4 计算结果分析70-79
• 5.4.1 不同载荷对转子系统影响权重分析70-73
• 5.4.2 不同工况下首末级叶轮叶片应力、变形分析73-79
• 5.5 本章小结79-80
• 总结与展望80-82
• 工作总结80-81
• 工作展望81-82
• 参考文献82-86
• 攻读学位期间发表的学术论文86-87
• 致谢87

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本文编号：964083