新型深井离心泵设计方法与试验研究

发布时间：2018-01-11 19:36

本文关键词：新型深井离心泵设计方法与试验研究　出处：《江苏大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：深井离心泵是抽取地下水的主要设备,在农田灌溉、地热利用、石油开采等领域有着广泛的应用。随着全球局部干旱逐渐加剧,地下水水位逐年下降,地热利用等新能源推广力度日益加大,广大用户对深井离心泵的需求越来越大,对泵性能的要求也与日俱增。本人在国家水泵及系统工程技术研究中心和美国圣路易斯华盛顿大学的联合培养下,结合国家“863计划”项目“变量喷洒低能耗轻小型灌溉机组”和国家自然科学基金项目“新型多级泵叶轮-导叶耦合流场结构与能量转换机理研究”,基于理论分析、试验测量和数值模拟等方法对新型深井离心泵进行了系统、深入的研究。本文的主要研究内容和取得的创造性成果有：1.对深井离心泵的定常数值模拟方法进行了分析,分别比较了多级泵级数、湍流模型、网格数量等数值模拟中的关键设置参数对泵扬程、效率、轴向力等预测结果的影响,确立了较为适宜于多级深井离心泵的数值模拟方法。提出以两级泵模型来预测整泵外特性的方法,既兼顾了较少的计算网格和计算时长,也保证了预测结果具有较高的精度。2.对文中所使用的泵性能试验台进行了不确定度分析,通过十次试验测量确定了泵扬程、流量、功率等关键参数的随机不确定度,结合测量仪器固有的系统不确定度,进一步计算出了泵效率等性能指标的扩展不确定度,结果证实该试验台泵效率的测量不确定度为0.73%,达到国家1级精度和国际A级精度(草案)的要求。3.提出了新型深井离心泵中斜切式叶轮的设计方法,并对其中有待完善的关键设计参数进行了研究。结合数值模拟和试验测量,分析了叶轮进口边向前延伸和平移叶轮前盖板对泵性能的影响规律。适当向前延伸叶轮进口边位置可以改善叶轮出口流场分布,将叶轮前盖板向进口侧前移可以增加叶片出口宽度,相应地泵的单级扬程和轴功率都逐渐增加,泵的最高效率点向大流量区域偏移,同时泵最高效率点对应的效率值也呈现出相对减小的趋势。4.分析了斜切式叶轮后盖板直径对泵性能和轴向力的影响,采用黄金分割法对叶轮后盖板直径进行单因素优化,确定了五个不同方案的后盖板直径,分别进行了数值模拟和试验测量。结果证实斜切后盖板可以有效地减少轴向力,但是过小的后盖板直径也会导致泵性能的急剧下降,并且随着后盖板直径的减小,泵的最高效率点逐渐向小流量区域移动。5.结合数值模拟和理论推导分析了斜切式叶轮出口的流场分布规律,结果表明圆周分速度在叶轮出口沿轴向呈现逐渐下降的趋势。针对这一流动特点,设计了进口边扭曲的三维曲面反导叶,并详细阐述了其设计过程。将三维曲面反导叶与圆柱形反导叶的水力性能进行了对比,证实三维曲面的变进口安放角设计较为吻合液流流动规律,水力损失较小。同时,首次定义了导叶效率的概念来量化导叶的压力转换功能,并且分析了级间导叶效率的差异及其产生原因。6.设计了一个独特的PIV试验台并首次实现了深井离心泵单级泵段内部流场的PIV测量,对比了1425r/min和2850r/min两个转速下导叶内部流场的差异。两个转速下的泵外特性试验结果与转速的相似换算准则相吻合,且导叶流道内的流动形态在两个转速下相近。在额定工况附近,导叶内部流动较为稳定；在小流量工况下,导叶流道内产生了流动分离和旋涡,且旋涡的强度随着流量的减小而逐渐加强。7.分别采用SST k-ω模型、低雷诺数SST k-ω模型和DES模型,结合滑移网格技术,对PIV试验中的模型泵进行非定常数值模拟。基于全流域结构化网格,结合网格无关性分析,比较了网格数量对微观流场参数的影响,并详细地计算了由网格间距和网格数量引起的数值模拟离散不确定度。在额定流量和大流量工况,三个湍流模型预测的速度场与PIV试验结果吻合较好,流线形态基本一致；在小流量下,数值模拟的误差相对较大。低雷诺数SST k-ω模型预测的速度分布与PIV试验结果更为接近,尤其是在小流量下对旋涡形态和涡核位置的预测精度较高。8.制定了新型深井离心泵的系列型谱,开发了系列产品,产品单级扬程高,轴向长度短,重量轻,效率高,节能节材,具有广阔的推广应用前景。
[Abstract]:Deep well centrifugal pump is the main equipment for extracting groundwater , and has wide application in the fields of farmland irrigation , geothermal utilization and oil exploitation . With the increasing of global local drought , the increasing of new energy such as annual decline of groundwater level and utilization of geothermal energy is increasing . In combination with the national water pump and system engineering technology research center and the American University of St . Louis , I have studied the structure and energy conversion mechanism of the new multi - stage pump impeller - guide vane coupling flow field in the national water pump and system engineering technology research center and the national natural science fund project . Based on theoretical analysis , test measurement and numerical simulation , the paper systematically and deeply studies the new deep well centrifugal pump . The main research contents and the results obtained are as follows : 1 . The influence of key parameters such as pump lift , efficiency , axial force and so on is analyzed . In this paper , the influence of grid quantity on the parameters of microscopic flow field is studied by using SST k - 蠅 model , low Reynolds number SST k - 蠅 model and DES model .

【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH311

【参考文献】