基于CFD的旋喷泵性能研究

发布时间：2017-05-29 06:04

  本文关键词：基于CFD的旋喷泵性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：旋喷泵(又称“皮托泵”)是一种基于皮托管效应研制的低流量、高扬程泵。它的比转数ns极低，一般在5～30之间。该泵在石油化工和石油炼制、炭黑制造、电站等领域的应用较广。叶轮是旋喷泵三大主要过流部件之一，其内部构成比普通离心泵、旋流泵复杂，，容易导致在相同工况流量下叶轮的更高失效概率。因此，叶轮的内部流动情况与结构内应力分布对整个旋喷泵的安全运作有着至关重要的影响。为了使旋喷泵安全、可靠地运作，基于CFD和FSI理论，对主要过流部件做了全流道数值模拟，重点研究了旋喷泵在运作时的叶轮流道内部静压分布、叶轮结构的应力与变形分布情况，这能有效改善旋喷泵的可靠性、优化叶轮在不同工况下性能以及减少生产试验样机的成本。 本文通过对旋喷泵三大过流部件流道流场的数值模拟仿真以及对叶轮的结构静力分析，研究了叶轮内部流场与叶轮结构的相互影响，探索了叶轮结构在离心力惯性载荷和流体压强载荷作用下的结构特性。本论文主要内容如下： （1）基于SolidWorks对旋喷泵三大主要过流部件的流道以及叶轮结构进行三维建模；基于GAMBIT和ANSYS Workbench的MESH模块，分别对三大主要过流部件流道三维结构模型以及叶轮三维结构模型进行网格划分。 （2）采用ANSYS Workbench平台的FLUENT模块，基于标准k湍流方程对旋喷泵主要过流部件流体在不同工况下进行了三维定常湍流数值模拟，得到了流道流体速度、静压分布，研究了不同流量对旋喷泵主要过流部件流场的影响，为叶轮结构特性研究提供了理论依据。 （3）采用Statical模块，基于单向FSI原理，对旋喷泵叶轮进行了在受不同载荷作用下结构有限元分析。分析了在不同流量工况下，离心力惯性载荷和流场压强载荷对叶轮结构的影响。研究了在不同流量工况下，叶轮的应力及变形变化情况。分析研究结果为后续的旋喷泵可靠性研究提供了理论依据。
【关键词】：旋喷泵 数值模拟 FSI理论 静力分析
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH38
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-16
• 1.1 课题来源10
• 1.2 课题研究背景及其意义10-11
• 1.3 国内外研究手段概述11-15
• 1.3.1 CFD 技术的发展及应用现状11-13
• 1.3.2 FSI 技术的发展及应用现状13-15
• 1.4 本文主要内容及研究手段15
• 1.5 本章小结15-16
• 2 旋喷泵基础理论、三维建模及网格化处理16-27
• 2.1 旋喷泵理论概述16-19
• 2.1.1 旋喷泵基本结构16-17
• 2.1.2 旋喷泵主要过流部件17-18
• 2.1.3 旋喷泵工作原理18-19
• 2.1.4 旋喷泵的性能参数19
• 2.2 旋喷泵的三维建模19-23
• 2.2.1 Solidworks 概述19-20
• 2.2.2 叶轮设计20-21
• 2.2.3 基于 Solidworks 的主要过流部件三维模型21-23
• 2.3 旋喷泵流道及叶轮结构的网格化处理23-26
• 2.3.1 全流道网格划分23-25
• 2.3.2 叶轮结构网格划分25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 3 旋喷泵内部流动数值模拟27-52
• 3.1 流动模型介绍27
• 3.1.1 有限控制体27
• 3.1.2 无穷小流元27
• 3.2 FLUENT 软件概述27-29
• 3.2.1 FLUENT 功能概述27-28
• 3.2.2 FLUENT 软件基本构成28-29
• 3.3 旋喷泵流动研究基本方程及湍流模型29-35
• 3.3.1 控制方程29-30
• 3.3.2 湍流数值模拟方法30-32
• 3.3.3 FLUENT 中常用湍流模型32-34
• 3.3.4 壁面函数34-35
• 3.4 边界条件设定35-37
• 3.4.1 进口边界条件36
• 3.4.2 出口边界条件36-37
• 3.4.3 壁面边界条件37
• 3.5 流场数值求解方法37-40
• 3.5.1 耦合式解法38
• 3.5.2 分离式解法38
• 3.5.3 SIMPLE 算法38-40
• 3.6 流域动静耦合求解原理40-41
• 3.6.1 多参考系（MRF）模型40
• 3.6.2 混合平面（MPM）模型40-41
• 3.6.3 滑移网格（SMM）模型41
• 3.7 旋喷泵内部流动计算过程41-44
• 3.7.1 GAMBIT 前处理42
• 3.7.2 计算过程42-44
• 3.8 计算结果显示以及分析44-51
• 3.8.1 设计工况流量（1.0Q）下三大过流部件静压分布44-46
• 3.8.2 非设计工况流量下的三大过流部件静压分布46-47
• 3.8.3 设计工况流量（1.0Q）下三大过流部件速度场分布47-48
• 3.8.4 非设计工况流量下三大过流部件速度场分布48-51
• 3.9 本章小结51-52
• 4 基于 FSI 原理的旋喷泵叶轮静力分析52-66
• 4.1 流固耦合守恒原则52
• 4.2 流固耦合解法分类52-53
• 4.2.1 直接耦合式解法53
• 4.2.2 分离式解法53
• 4.3 机械零件静力分析原理53-56
• 4.3.1 静力分析的弹性力学基础54-55
• 4.3.2 静力分析的有限元方程55-56
• 4.4 叶轮流固耦合分析过程56-59
• 4.4.1 基于单向流固耦合的求解方法56
• 4.4.2 ANSYS 流固耦合功能概述56-57
• 4.4.3 旋喷泵叶轮结构静力分析57-59
• 4.5 耦合结果分析59-65
• 4.5.1 流场压强载荷及离心力载荷对叶轮应力分布的影响59-61
• 4.5.2 流场压强载荷及离心力载荷对叶轮变形分布的影响61-62
• 4.5.3 流量对叶轮应力及变形分布的影响62-65
• 4.6 本章小结65-66
• 结论66-67
• 参考文献67-70
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果70-71
• 致谢71-72

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本文编号：404268