毕业设计（论文）PPT答辩-典型流体机械的数字化开发技术研究.ppt

logo 典型流体机械的数字化开发技术研究 指导老师： 学生： 内容 离心泵的概述1 建模及数值模拟方案2 离心泵的特性曲线预测3 总结与展望4 1.离心泵 离心泵是一种应用及其广泛的通用机械 ，第一台离心泵是公元前5 世纪葡萄牙人在圣多明格铜矿中所用的排水离心泵 。随着离心泵的设 计理论进一步发展完善和设计技术手段的上的不断提高，离心泵的功 率从几瓦到数十万千瓦，转速高达每分钟数万转，单级扬程可达数千 米，流量可达每秒数千立方米。泵是将原动机的机械能或其它能源的 能量传递给泵所输送的液体，使液体的能量(压能，位能和动能)增加 的机械。 v现有离心泵的结构类型 ： v 离心泵的研究主要围绕如何设计合理的结构和选 择适当的材料以及如何提高水力性能这三个方面。 离心泵水力设计的主要任务就是根据给定的设计参 数(流量、扬程、转速、汽蚀余量和效率等)，经过 多种方案的优化选择，使所设计的叶轮和泵体具有 最小的水力损失和必要的汽蚀性能，并使泵的外特 性符合预先给定的要求。 1.1计算流体力学作用和应用 v cfd能够计算分析在各种杂几何形状的空间 内外发生的下列工程问题：（1）流体流动；（2 ）高温传热：（3）气一固、液一固、气一液、 液一液等多相流；（4）非牛顿流体流动；（5） 多孔介质流；（6）化工反应流；（7）煤粉燃烧 ，气态燃料燃烧，油雾燃烧，多种燃料混合及多 氧化流燃烧；（8）爆炸、爆燃和着火；（9）搅 拌反应；（10）环保 1.2 现代离心泵设计概念 v 现代离心泵的设计具有更高的要求和更广泛的含义， 应考虑以下内容： v (1)设计预测的泵流量扬程曲线应与将来实测曲线相一 致 v (2)在所给定的运行条件下，泵应具有良好的水力性能 v (3)在一定的工作范围内，泵应具有效率高、运行范围广 和良好的汽蚀性能 v (4)低比速泵应具有优良的功率特性，使原动机上致于因 过载而损坏 v (5)泵在工作时应具有振动小，噪声低，可靠性高等优点 v(6)泵的结构和材料应能适合所抽送的介质的性 质 v(7)应能用最经济的工艺措施制造出所设计的泵 v(8)泵应具有符合人们审美要求的外观质量 v(9)泵的结构要符合流体运动规律，并保证人们 操作安全、方便 v(10)设计计算过程全盘计算机化 1.3本文的研究内容 v 随着数值模拟技术和计算机技术的快速发展， 大型cfd软件在计算旋转机械流场方面专业性上 断增强，越来越多的学者开始使用这类软件计算 离心泵内部流动。本文采用现代设计理论，利用 大型cad软件cat工a以及商用cfd软件 fluent，以宇琦泵业有限公司所提供的型号为 za40-250的离心泵为研究模型，对其进行整机 流场数值模拟计算，观察其内部流动特性，预测 其工作性能，并对其进行试验曲线与计算性能曲 线的对比研究，为进一步的优化和改进提出方向 和可行性。 2.建模及数值模拟方案 v2.1 离心泵模型参数 v 以单级单吸is50-32-125型离心泵为范例进 行数值模拟。该模型叶片数为6片。其他详细设 计参数参见表3-1 。 3.2流道模型建模 v 在进行离心泵内部流场数值计算之前，首先 要做的工作就是要建立离心泵流体流动的计算模 型，其过流部件包括：进水管、叶轮、蜗壳、出 水管。由于离心泵流体流动模型较为复杂，本文 利用具有强大三维设计功能的建模软件 pro/engineer来分别建立其过流部件的流道模 型，进而通过其装配功能建立离心泵整机流道模 型。pro/engineer软件是一个大型软件包，由 多个功能模块组成：草绘模块、零件模块、零件 装配模块以及曲面模块等，每一个模块都有自己 独立的功能。 3.2.1叶轮流道建模 图1.叶轮草绘示意图 图2.叶轮流道模型 3.2.2蜗壳流道建模 v 蜗壳是离心泵叶轮出口至出口法兰的重要过 流部件，它的形状参数决定流体能量损失的大小 ，直接影响离心泵的工作性能 。本文中，整个蜗 壳由螺旋线和扩散管两部分组成。螺旋线部分截 面形状为梯形，在螺旋线部分共设计了八个截面 ，每个截面之间的夹角均为45，隔舌位置与纵 轴的横向距离为23mm。 最终建立的蜗壳流道不同方向的三维模型 图3.蜗壳流动模型 3.2.3整机装配模型 v 装配功能是pro/engineer的基本功能之 一，装配文件的首要功能是描述所建立模型之间 的配合关系、位置关系，以便确定所建立的模型 形状以及尺寸的正确性 。装配时需让进水管、叶 轮以及蜗壳的螺旋线部分三条中心轴保持重合， 出水管的中心轴和蜗壳扩散段出口的中心线重合 ，装配好的离心泵整机流动模型如下图： 图5.离心泵整机流道模型图 3.3 网格划分 v 在gambit中对几何模型划分网格，网格化 分采用分块划分网格的方法，分成进水管、叶轮 、蜗壳和出水管四块分别划分网格。其中进水管 和出水管采用结构化六面体网格划分；对于计算 区域空间复杂的叶轮，采用适应性很强的非结构 化四面体网格划分；对于蜗壳，则采用混合网格 划分。离心泵整机流动模型的网格划分为： 3.4数值模拟方案的确定 v 在本文中，流体运动的控制方程选用雷诺时 均方程rans，湍流模型选取标准的k-模型，为 了保证计算结果的精度，对流项、湍动能和湍动 能耗散率项采用二阶迎风格式；压强项采用标准 格式。压力与速度耦合采用simple算法，求解 时压强、密度、动量、湍动能、湍动能耗散率、 湍流粘性系数的松弛因子分别取为0.3、1、0.7 、0.8、0.8、1。对速度项、湍动能和湍流耗散 率均采用三阶收敛精度。 v 下图分别表示不同叶片数离心泵在设计工况 下的模拟计算残差曲线，可以看出收敛趋势是很 好的，迭代计算时均在450600步之间收敛， 此时各方程的收敛残差基本上都处于10-6以内。 4.离心泵的特性曲线预测 v 离心泵的特性曲线主要由表示扬程、效率、功率 和必需的汽蚀余量等各项性能参数与流量之间的 关系的曲线，称为泵的性能曲线，其主要包括扬 程h-流量q、效率-流量q、功率p-流量q与汽 蚀余量npsh c-流量q四条曲线。 由于汽蚀的数 值模拟比较复杂，本文暂不对此做研究，仅对h- q、-q和p -q三条性能曲线进行预测 。 4.1计算结果 4.2离心泵性能试验验证 v 根据郑州大学化工与能源学院离心泵开式性 能测试对is 50-32-125型离心泵进行测试，其 测试记录数据如表5-1，经计算后得出最终结果 见表5-2。其性能曲线图见图5-3： 测试结果 离心泵各工况下性能曲线图 离心泵计算特性曲线与试验值的对比 5.总结与展望 v 通过对比发现：各计算特性曲线随着流量的 变化趋势与试验的结果基本一致。但扬程预测值 相互之间偏差较大，扬程预测值在设计工况附近 预测值与试验值较为接近，但在小流量和大流量 工况下与试验值相差较大；轴功率预测值均比试 验值偏小；效率预测曲线与实验