微型高速离心泵内部流动数值模拟和优化研究

发布时间：2020-05-30 20:26

【摘要】： 微型离心泵正在各种高科技前沿领域得到越来越广泛的应用,对其效率和可靠性的要求越来越高,但传统研究较多针对的是大尺寸的离心泵,对于微型离心泵,采用传统设计方法设计难以达到最佳效果。 本文以一台微型模型泵为基础,设计了针对微型离心泵的测试系统,实现对其不同工况下的外部特性的测试和分析。并利用计算流体力学(CFD)分析软件Fluent对模型泵进行了验证模拟,在模拟计算中采用了标准K-ε模型和S-A模型两种不同的湍流模型进行了分析,探讨了两种模式对微型泵内流计算的适用性,其中S-A模型的计算结果和实验结果的差值在10%以内。 基于内部流动的数值模拟对微型高速离心泵进行了参数化分析,采用了选定关键结构参数、改变参数建立新模型、对新模型进行测试、对测试结果进行比对的分析流程。定义和进行修改比较的关键结构参数主要有:叶片的出口角、涡室的轴向间隙、环形压水室的高度和出水管形状、前后盖板的形式和叶轮的轴面形状等。得到了若干能够较大幅度提高微型泵水力性能的方案,并结合内部流场的状况对其原因进行了分析。 对原泵和修改后的泵在不同流量下进行了非定常的数值模拟计算,得到了泵内部压力和轴向力波动曲线,经过分析推测了波动周期的计算公式以及在大流量下波动和动静干涉的关系,并提出了减小波动幅度的具体措施。 本文研究工作对改进微型高速离心泵的设计、提高性能和稳定性具有一定的意义,可为高可靠性微型高速离心泵优化设计奠定基础。
【图文】：

图1一1宇航服基本结构示意图过流部件是离心泵的核心部分，离心泵的性能归根到底取决于其内部流，而即使最新的流体动力学理论也无法完全预测泵内部的真实流场，学者需要通过实时观测或者数值模拟的方法来观察分析泵内部的流动情况，以水力性能进行改进。制造试验用泵对其进行实时观测，虽然能够获得较为准确的观测结果，着成本高，试验周期长的缺点。而近年来，随着计算机技术和流体力学等发展，一种称为计算流体力学(eomputationalFluidD”amies，简称CFD)开始得到应用，，它可以在一定准确度下，在计算机上近似的模拟流场内部，从而根据模拟的结果对内部结构进行不断的修改，和传统的实测方法相FD技术成本低，计算周期短，允许对大量的模型进行模拟和比对，同时理模型的改进和计算能力的不断增强，数值模拟的精确度和可靠性不断提

并且给出了一系列用于计算泵尺寸参数的公式。此外，从均匀出入口处参数分布的角度出发，提出了一些能够改进离心式小流量泵动力特性的措施。图1一 2NASA研究的卫星推进泵的叶轮和蜗壳美国NASA的科学家 StevenJ.Schneider等对航空航天中使用的卫星推进泵进行了研究[17]，这种泵拥有四级叶轮，其流量在IGPM(227升/小时)左右，扬程在500Pasia(约350m)左右，效率为60%左右。科学家用一个双级叶轮的模型进行了试验，得出的结论是根据现有的制造水平，完全能够制造出符合卫星推进泵要求的泵，一个有效的泵系统可以带来很大(40%左右)的有效载荷的增加。此外，他们认为根据大尺寸泵的预测结果无法适用于小尺寸的高速微型泵，会有较大的误差(25%以上)
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TH311

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本文编号：2688675