离心泵动静叶栅内部流动特性的大涡模拟

发布时间：2017-09-15 14:26

  本文关键词：离心泵动静叶栅内部流动特性的大涡模拟

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【摘要】：动静叶栅相互干涉是引起水力机械振动、噪音和效率降低的重要原因之一,在偏离设计工况下离心泵动静叶栅内液体的流动会使泵运行不稳定性增大。本文以带有导叶的离心泵为计算模型,采用大涡模拟数值计算方法对泵运行在以设计流量Q=45m3/h为参考的0.6Q、0.8Q、1.OQ、1.2Q和1.4Q五种不同流量工况下泵外特性变化曲线、径向力和轴向力矢径分布、叶轮Z轴中间截面和导叶、蜗壳Z轴中间截面静压、速度、流线、涡量分布进行分析。本文主要研究内容及所得结论如下： 1.采用MATLAB软件对导叶、蜗壳水力设计计算过程进行编程,提高了导叶、蜗壳水力设计效率；采用Pro/E软件对全流道各过流部件的三维实体进行建模；采用ICEM CFD对全流道各部件进行结构化网格划分,其中,叶轮和导叶进行周期性结构化网格划分。 2.采用标准κ-ε湍流模型对模型泵全流场内部定常流动特性进行数值计算,结果表明： (1)随着流量的增大,叶轮与蜗壳径向力逐渐减小,导叶径向力逐渐增大,叶轮轴向力逐渐增大,方向与叶轮进口速度方向相反。 (2)从叶轮进口处至叶轮出口处,叶轮Z轴中间截面静压沿半径方向近似呈递增趋势。不同流量工况下导叶蜗壳Z轴中间截面静压分布相似。 (3)叶轮内小流量工况下出现明显回流,随着流量增大,相对速度分布趋于均匀。小流量工况下流体流动状态较差,导叶可改善叶轮在大流量工况下的流动状态。 (4)涡量极大值和极小值相差很大,绝大部分涡量值不超过25001/s。随着流量的增大,叶轮Z轴截面最低涡量区间云图范围减小,涡量分布趋于均匀。 3.对水力机械的大涡模拟计算方法进行研究,以五种不同流量工况的定常计算结果分别作为采用标准Smagorinsky模型对五种变流量工况下泵非定常流动特性大涡模拟数值计算的初始条件,得到五种不同流量工况下模型泵内非定常流动特性。结果表明： (1)当叶轮旋转一个流道范围时,扬程、效率、扭矩和轴功率均发生一个周期的变化,在一个旋转周期内均有与叶片数相等个数的近似正弦变化的周期。 (2)在小流量工况下叶轮所受径向力近似呈椭圆分布。整体上,随着流量的增大,径向力矢径椭圆发生畸变的程度增大,径向力矢径分布椭圆逐渐减小 (3)叶轮Z轴中间截面静压分布与叶轮旋转相位无明显相关性,与叶轮旋转至与蜗壳断面的相对位置有关。 (4)随着流量的增大,叶片压力面侧流动混乱区域厚度减小,内部漩涡减小,叶片吸力面脱流起始位置逐渐沿叶片扭曲方向移动。 (5)在某一流量工况下,涡量在叶轮Z轴截面内的分布随时间变化不明显,涡量分布存在明显的拟序结构。在同一时刻,拟序涡结构随着流量的变化而发生有序的变化。随着流量的增加,叶轮Z轴截面大涡量区逐渐减小。叶轮Z轴截面大涡量区主要集中在叶片出口处的吸力面侧。大流量工况下,靠近叶片出口处的叶片吸力面大涡量区呈带状分布。随着流量的增大,导叶Z轴截面上的大涡量区分布较不均匀,导叶扩散段、延长段内部和隔舌处局部大涡量区域分布越多。
【关键词】：动静叶栅 内流特性 大涡模拟 拟序涡
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH311
【目录】：

• 摘要8-10
• Abstract10-13
• 第1章 绪论13-18
• 1.1 课题名称及来源13
• 1.1.1 课题名称13
• 1.1.2 课题来源13
• 1.2 课题研究背景及意义13
• 1.3 研究现状13-16
• 1.3.1 固定导叶离心泵简介13-14
• 1.3.2 水力机械动静叶栅非定常流动特性研究现状14-15
• 1.3.3 大涡模拟在水力机械中的应用15-16
• 1.4 本文主要研究内容概述16-17
• 1.5 本文主要创新点17-18
• 第2章 湍流基本理论及数值模拟方法18-30
• 2.1 湍流基本理论18-21
• 2.1.1 湍流基本方程18-19
• 2.1.2 湍流模型理论19-21
• 2.2 湍流数值模拟21-26
• 2.2.1 Reynolds平均法(RANS)22
• 2.2.2 直接数值模拟22-23
• 2.2.3 大涡模拟23-26
• 2.2.3.1 大涡模拟的基本思想23-24
• 2.2.3.2 大涡模拟的滤波函数24
• 2.2.3.3 大涡模拟的控制方程24-25
• 2.2.3.4 大涡模拟的亚格子模型25-26
• 2.3 LES模拟的计算设置26-29
• 2.3.1 LES求解策略26-27
• 2.3.2 LES对壁面边界层网格要求27
• 2.3.3 大涡模拟边界条件设置27-28
• 2.3.4 大涡模拟控制方程设置28
• 2.3.5 大涡模拟时间步长设置28
• 2.3.6 大涡模拟监视时间数据、后处理28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 模型水力设计、几何建模及网格划分30-42
• 3.1 模型水力设计30-34
• 3.1.1 叶轮水力设计30-31
• 3.1.2 导叶水力设计31-33
• 3.1.3 蜗壳水力设计33-34
• 3.2 模型三维建模34-35
• 3.3 模型网格划分35-41
• 3.3.1 进口段网格化分35-36
• 3.3.2 叶轮网格划分36-38
• 3.3.3 导叶网格划分38-39
• 3.3.4 蜗壳网格划分39-40
• 3.3.5 网格组装40-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第4章 动静叶栅三维定常流动特性数值模拟及分析42-65
• 4.1 不同流量工况下动静叶栅外特性比较42-44
• 4.2 模型泵动静部件诱导力分析44-48
• 4.2.1 叶轮径向力及轴向力分析45-46
• 4.2.2 导叶径向力及轴向力分析46-47
• 4.2.3 蜗壳径向力及轴向力分析47-48
• 4.3 不同流量工况下带径向导叶离心泵三维定常湍流计算分析48-62
• 4.3.1 带径向导叶离心泵叶轮内流特性对比分析48-56
• 4.3.1.1 叶轮中间截面压力分布对比分析48-50
• 4.3.1.2 叶轮中间截面相对速度分布对比分析50-51
• 4.3.1.3 叶轮中间截面绝对速度分布对比分析51-52
• 4.3.1.4 叶轮中间截面流线图对比分析52-54
• 4.3.1.5 叶轮中间截面涡量图对比分析54-56
• 4.3.2 带径向导叶离心泵导叶蜗壳内流特性对比分析56-62
• 4.3.2.1 导叶蜗壳中间截面压力分布对比分析56-57
• 4.3.2.2 导叶蜗壳中间截面速度分布对比分析57-59
• 4.3.2.3 导叶蜗壳中间截面流线图对比分析59-60
• 4.3.2.4 导叶蜗壳中间截面涡量图对比分析60-62
• 4.4 本章小结62-65
• 第5章 动静叶栅三维非定常流动特性大涡模拟及分析65-106
• 5.1 不同流量工况下动静叶栅非定常外特性比较65-68
• 5.1.1 扬程性能曲线65-66
• 5.1.2 效率性能曲线66-67
• 5.1.3 扭矩性能曲线67
• 5.1.4 轴功率性能曲线67-68
• 5.2 不同流量工况下离心泵一个周期内叶轮诱导力分析68-70
• 5.2.1 一个周期内叶轮所受径向力分析68-69
• 5.2.2 一个周期内叶轮所受轴向力分析69-70
• 5.3 不同流量工况下离心泵内部三维非定常湍流计算结果分析70-102
• 5.3.1 带径向导叶离心泵叶轮内流特性对比分析70-88
• 5.3.1.1 叶轮中间截面压力分布对比分析70-74
• 5.3.1.2 叶轮中间截面相对速度分布对比分析74-77
• 5.3.1.3 叶轮中间截面绝对速度分布对比分析77-80
• 5.3.1.4 叶轮中间截面流线图对比分析80-85
• 5.3.1.5 叶轮中间截面涡量图对比分析85-88
• 5.3.2 带径向导叶离心泵导叶蜗壳内流特性对比分析88-102
• 5.3.2.1 导叶蜗壳中间截面压力分布对比分析88-92
• 5.3.2.2 导叶蜗壳中间截面速度分布对比分析92-95
• 5.3.2.3 导叶蜗壳中间截面流线图对比分析95-99
• 5.3.2.4 导叶蜗壳中间截面涡量图对比分析99-102
• 5.4 本章小结102-106
• 第6章 总结与展望106-110
• 6.1 主要研究成果总结106-109
• 6.2 本文主要创新点109
• 6.3 课题研究方向展望109-110
• 参考文献110-115
• 致谢115-116
• 附录A 攻读学位期间公开发表的论文116-117
• 附录B 导叶水力设计计算MATLAB编程117-120
• 附录C 蜗壳水力设计计算MATLAB编程120-122

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 李少华;王梅丽;李知俊;郭婷婷;;动静干涉叶栅间非定常流动的数值模拟[J];电站系统工程;2010年05期

2 毛明明;宋彦萍;王仲奇;;跨声压气机动静干涉效应的数值研究[J];航空动力学报;2007年09期

3 黄思;吴玉林;;离心泵全三维流场的大涡数值模拟[J];华南理工大学学报(自然科学版);2006年04期

4 徐朝晖,吴玉林,陈乃祥,刘宇,张梁;高速泵内三维非定常动静干扰流动计算[J];机械工程学报;2004年03期

5 李仁年;权辉;韩伟;苏清苗;马薇;;变螺距叶片对螺旋离心泵轴向力的影响[J];机械工程学报;2011年14期

6 康伟;祝宝山;曹树良;;离心泵螺旋形压水室内流场的大涡模拟[J];农业机械学报;2006年07期

7 王春林;司艳雷;赵佰通;张浩;郑海霞;;旋流自吸泵内部湍流场大涡模拟[J];农业机械学报;2009年09期

8 刘梅清;李秋玮;白耀华;刘志勇;林琦;;湍流模型在双吸离心泵数值模拟中的适用性分析[J];农业机械学报;2010年S1期

9 袁寿其;刘厚林;;泵类流体机械研究进展与展望[J];排灌机械;2007年06期

10 黄剑峰;张立翔;王文全;姚激;;基于大涡模拟的水轮机内瞬态湍流场特性分析[J];排灌机械工程学报;2010年06期

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本文编号：857073