（流体机械及工程专业论文）冲压焊接离心泵叶轮及蜗壳耦合特性准非定常数值模拟.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文通过c f d 技术研究了冲压焊接离心泵过流部件在准非定常条 件下的流动特点，分析了叶轮和蜗壳之间的耦合特性与离心泵性能的 内在关系，并通过试验验证了数值预测的可靠性。在此基础上提出冲 压焊接离心泵性能优化目标和措施。本文在初步水力设计、数值模拟 和试验研究的基础上对冲压焊接离心泵进行了研究和总结，主要研究 包括： 1 采用准非定常模拟冲压焊接离心泵过流部件内部流场。除了大流 量工况，隔舌附近有一个低压区随着叶轮及蜗壳相对位置变化逐渐增 大；小流量工况时，叶轮流道内发生了严重的回流和二次流现象；大 流量工况时蜗壳出口存在流动分离。 2 对比了叶轮和蜗壳耦合面周向静压分布和径向速度分布规律，蜗 壳周向不同位置时静压对流量变化的敏感性不同：最大静压和最小静 压值一般发生在第断面到隔舌区域之间，由于蜗壳隔舌对叶轮出口 附近流场的影响，隔舌两侧的静压值发生了突变。 3 基于准非定常对冲压焊接离心泵进行性能预测。在叶轮与蜗壳不 同相对位置时，扬程、水力功率和水力效率预测值均出现了明显的波 动；性能预测与试验结果对比表明：设计工况时准非定常性能预测具 有很好的预测精度，非设计工况时性能预测的最大偏差在1 0 范围内。 4 提出了冲压焊接离心泵径向力数值预测的数学模型。小流量工况 时冲压焊接离心泵径向力最大，设计工况时的径向力最小；小流量工 况时总径向力矢量方向在第1 i i 断面和第v 断面之间，大流量工况时总 径向力矢量方向在第断面和隔舌之间，设计工况时总径向力在第v l 江苏大学硕士学位论文 断面和第断面之间。 5 在数值分析和性能预测的基础上，对冲压焊接离心泵结构进行改 进。改进后冲压焊接离心泵叶轮出口回流和扩散管内流动分离得到了 有效控制，改善了非设计工况时的水力性能，完全满足冲压焊接离心 泵无过载特性的设计要求。 关键词：耦合特性，冲压焊接，准非定常，数值模拟，优化 n 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em e t h o do fc f di s a d o p t e dt os i m u l a t et l l e i n t e r n a lf l o wo f s t a m p i n g - w e l d i n gc e n t r i f u g a lp u m pu n d e rt h eq u a s i u n s t e a d yc o n d i t i o n ，o n t h eb a s i so fa n a l y s eo ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni m p e l l e r - v o l u t ec o u p l i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dh y d r a u l i cp e r f o r m a n c e ，t h ep e r f o r m a n c ep r e d i c t i o ni s v a l i d a t e db ye x p e r i m e n t s a tl a s t , i nv i e wo ft h er e f l u xa n ds e p a r a t ef l o w u n d e rt h eo f f - d e s i g nc o n d i t i o n si nt h ei m p e l l e ra n dv o l u t e ，t h eo p t i m u m m e t h o d sa r eb r o u g h tf o r w a r da c c o r d i n g l y b a s e do n h y d r a u l i cd e s i g n a n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h ep e r f o r m a n c e a n di n n e rf l o w f i e l do f s t a m p i n g - w e l d i n gc e n t r i f u g a lp u m pa r es u m m a i z e d t h em a i nw o r ki s o u t l i n e da sf o l l o w i n g ： 1 b ym e a n so ft h e “f r o z e nr o t o rm e t h o d ，t h ec o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c s b e t w e e ni m p e l l e ra n dv o l u t ea r es i m u l a t e du s i n g3 - d q u a s i s t e a d ym e t h o d t h el o w - p r e s s u r es e c t i o no f t o n g u eb e c o m e st oa u g m e n tg r a d u a l l ya l o n g w i t ht h ev a r i e t yo fi m p e l l e ra n dv o l u t er e l a t i v ep o s i t i o n s u n d e rl o wf l o w r a t ec o n d i t i o n ，t h ei n n e rf l o wf i e l do fi m p e l l e rc o m e si n t ob e i n gs e r i o u s r e f l u x ；u n d e rl a r g ef l o wr a t ec o n d i t i o n ，t h ev o l u t eo u t l e tp r e s e n t so b v i o u s s e p a r a t ef l o w 2 t h es t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fi m p e l l e ra n dv o l u t ei sd i s c u s s e d , w h i c hi ss i t u a t e da tt h ec i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o no ft h ei m p e l l e r - v o l u t e c o u p l i n gs u r f a c e t h em a x i m a la n dm i n i m a ls t a t i cp r e s s u r ea r eo c c u r r e di n t h er a n g eo fs e c t i o ni va n dt h et o n g u e ；b e c a u s eo ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n t h et o n g u ea n dt h ef l o wf i e l do fi m p e l l e ro u t l e t , t h es t a t i cp r e s s u r ev a l u e s h a sas u d d e nb r e a kn e a r b yt h et o n g u ef l o wf i e l d 3 t h e q u a s i - s t e a d y b a s e d n u m e r i c a l p r e d i c t i o n i s a d o p t e d t o s t a m p i n g - w e l d i n gc e n t r i f u g a lp u m p i nt h ed i f f e r e n tr e l a t i v ep o s i t i o n s i i i 江苏大学硕士学位论文 s t a m p i n g - w e l d i n gc e n t r i f u g a lp u m p i nt h ed i f f e r e n tr e l a t i v ep o s i t i o n s b e t w e e ni m p e l l e ra n dv o l u t e ，t h ep r e d i t i o nv a l u e ss u c ha sh e a d 、h y d r a u l i c p o w e ra n dh y d r a u l i ce f f i c i e n c ya r ef l u c t u a t e do b v i o u s l y ；i nc o m p a r i s o n w i t h p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n a n d e x p e r i m e n t s ，t h eq u a s i s t e a d y p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o nh a sag o o dp r e c i s i o nu n d e rt h ed e s i g nc o n d i t i o n ， a n du n d e rt h e o f f - d e s i g nc o n d i t i o n s ，t h e m a x i m a le r r o rb e t w e e n p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t si sn om o r et h a n1 0 4 t h er a d i a lf o r c em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs t a m p i n g - w e l d i n gc e n t r i f u g a l p u m pi se s t a b l i s h e d t h em a x i m a lr a d i a lf o r c eo c c u r su n d e rt h el o wf l o w r a t ec o n d i t i o n ，a n dt h em i n i m a lr a d i a lf o r c eo c c u r su n d e rt h el a r g ef l o wr a t e c o n d i t i o n u n d e rt h el o wf l o wr a t ec o n d i t i o n ，v e c t o rd i r e c t i o no fr a d i a l f o r c eh a sar a n g ef r o ms e c t i o ni i it os e c t i o nv ，a sw e l la sf r o ms e c t i o nv l l t ot h et o n g u eu n d e rt h el a r g ef l o wr a t ec o n d i t i o n 5 o nt h eb a s i so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dp r e d i t i o n ，t h eo p t i m i z a t i o n a n dm a i nm e a s u r e sa r eb r o u g h tf o r w a r d ，w h i c hc a n e f f e c t i v e l yc o n t r o lt h e r e f l u xa tt h ei m p e l l e ro u t l e ta n dt h ef l o ws e p a r a t i o na tt h ev o l u t eo u t l e t c o n s e q u e n t l y , t h eh y d r a u l i cp e r f o r m a n c e so fs t a m p i n g - w e l d i n gc e n t r i f u g a l p u m p a r e i m p r o v e d ，a n d t h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s o fn o n o v e r l o a d c h a r a c t e r i s t i c sa l eo b t a i n e d k e yw o r d s ：c o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，s t a m p i n g - w e l d i n g ，q u a s i - u n s t e a d y ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n 江苏大学硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：霭冬复氓、 磊；年闰月a 日 )r、y1j 刁硝 轹 明 艺 2 签 尼 师 年 教 舌 导 形 指 山 江苏大学硕士学位论文 独创- | 生声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：奠a 氓 一1 日期：如g 年，a 月af 日 江苏夫学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景、目的及意义 流体机械是以流体为工作介质与能量载体、以叶轮为主要工作元件，通过工 作元件与工作介质的相互作用以实现流体的能量与机械能有效转换的机械。流体 机械广泛应用于国民经济和社会生活的各个领域，随着科学技术的进步和经济的 发展，对流体机械的性能要求越来越高。研究流体机械内部流场结构和能量传递 损失的发生及其相互作用机制，以提高效率，扩大使用工况范围及提高运行的可 靠性，可为改善流体机械性能提供试验和理论依据。 随着数值模拟技术和计算机技术的快速发展，利用大型商业化c f d 软件计算 旋转机械流场越来越受到人们的重视，已经成为今后旋转机械研究的热点和重点。 目前，由于离心泵研究和设计水平的迅猛发展，大量的离心泵新产品开始出现， 冲压焊接离心泵作为一种高科技含量的技术，已经显示出了可以代替普通铸造离 心泵的诸多优点。国内上海理工大学蔡保元教授等【l 7 】利用两相流粘性水力设计方 法，开拓性地研究了冲压焊接低比转速离心泵的设计理论和方法，相关产品已经 在广东阳江新粤华不锈钢泵厂投产。但有关冲压焊接离心泵内部流场数值模拟的 论文还不多见，对于冲压焊接离心泵和普通离心泵过流部件内部流动特性，还需 要作进一步的研究，相关研究对完善冲压焊接离心泵水力设计方法也是一次有益 的尝试。通过对冲压焊接离心泵过流部件内部流场进行对比，分析其水力性能与 水力参数之问的内在关系，同时将冲压焊接离心泵性能预测结果与试验结果进行 对比，在水力设计、数值模拟和试验研究的基础上，针对冲压焊接离心泵过流部 件存在的问题，对冲压焊接离心泵进行优化设计。 低比转速离心泵广泛应用于农业及石油、化工等工业领域。由于叶轮流道狭 长，导致圆盘摩擦损失和水力损失较大，这是造成低比转速离心泵效率较低的主 要原因。小流量工况时叶轮出口易产生二次流或脱流，使扬程曲线产生驼峰；大 流量工况下时轴功率曲线随着流量急剧上升，很容易产生过载，甚至烧毁电机。 目前的离心泵一维或二维设计方法可以设计出完全满足需要的铸造叶轮和蜗 壳，针对冲压焊接离心泵叶片薄且表面光滑的特点，试验表明常规的一维或二维 江苏大学硕士学位论文 设计方法不适用于冲压焊接离心泵过流部件的设计。针对冲压焊接离心泵水力设 计，国内外很多学者做了大量研究，蔡保元教授吸收了低比转速铸造泵、高粘性 离心泵和两相流泵的研究成果，建立起一套适合冲压成型离心泵的设计理论和设 计方法，以解决低比转速离心泵设计中存在的偏工况、高比转速低用和效率曲线 不收敛等问题。 冲压焊接离心泵由于叶片薄，流道光滑等特点，所以在水力设计过程中对水 力参数的选择提出了新的要求，其叶轮和其他水力过流部件的水力设计与常规铸 造叶轮有很大不同。本文通过c f d 技术研究冲压焊接离心泵过流部件主要参数的 水力设计，并通过试验验证，初步提出了冲压焊接离心泵水力参数和过流部件内 部流场的相互影响关系，在此基础上提出冲压焊接离心泵的优化设计目标，提高 冲压焊接离心泵的性能。 1 2 流体机械内部流动数值模拟研究现状和进展 1 2 1 流体机械内部流动数值模拟现状 由于计算能力和湍流的复杂性以及流场对象的多样性，自1 8 8 3 年r e y n o l d s 试验发现湍流现象并建立r e y n o l d s 方程至今，以流体机械为对象的内流数值研究， 仍然是一个发展阶段的研究课题而受到国内外学者的普遍关注。计算流体动力学 ( c f d ) 技术应用于流体机械内部流动的研究，开始于上世纪五十年代障】。 自二十世纪五十年代以来，流体机械内部流动理论有了很大进展，吴仲华教 授提出的s i ，s 2 两类流面理论喁】，其所需的计算量在当时的计算条件下，很好地解 决了工程计算问题。八十年代以前，流体机械内部流动的数值模拟大都建立在无 粘模型上，流线曲率法【9 j 1 1 0 】是其典型代表，以沿任意准正交线上的力平衡方程为 基础，求解一个常微分方程。这一方法的计算精度依赖于所用数值拟合方法的精 度，它计算简洁，适合工程设计。求解流体机械内部流场的二维和准三维数值方 法大都基于吴仲华教授的两类流面理论发展起来的，它们将三维实际流动简化为 流面上的二维流动进行求解，通过两类流面的相互迭代( 或耦合) 模拟流体机械内部 流场，解决了当时模拟理想流体三维流动时对计算机内存和计算量的要求。但是， 理想流体模型难以揭示流场的物理特征，为了更真实地了解流体机械内部流动， 考虑流体的粘性作用影响是十分必要的。其后发展了添加三维修正的许多算法， 如采用有粘边界层一无粘势流迭代的方法，经过修正后的计算结果比单纯的无粘 2 江苏大学硕士学位论文 计算较为准确，且能预测到边界层范围内出现的局部分离。 随着计算机技术的发展，计算能力得到了极大的提高，能够满足粘性流体的 计算要求，用粘性流体模型研究流体机械内流现象及其相互作用机制工程应用可 能性变为现实。八十年代以来，数值求解粘性流体的方法得到快速的应用，流体 机械内部流动的数值计算逐步进入直接求解三维e u l e r 方程以及时均n s 方程+ 湍 流模型的阶段，这些新的计算方法也很快成熟和标准化，成为通用商业软件的一 部分，如f l u e n t 、s t a r - c d 、c f x 、n u m e c a 等，极大地推动了流体机械的数值模 拟工作的开展。 d 跚啪( 1 9 9 9 ) 等在文献l l l 】中指出，应用c f d 方法对提高流体机械的气动性能 设计无论从设计周期还是费用上均具有其他方法无法相比的优点。 l a u n d e r ( 2 0 0 0 ) 1 1 2 l 的通过对多种湍流模型的计算研究，指出目前困惑c f d 数值 模拟和预测工作的主要问题还是湍流模型的应用范围的缺陷，如何获得更好得湍 流模型和模拟非线性涡的影响，以及获得不同湍流模型较准确适用范围是目前 c f d 研究工作的重点和关键。 流体机械系统性能与流道形状及其静止元件配置密切相关。研究表明当流道 倾斜时，在倾斜壁面附近会产生明显的径向流动。由于流线在子午面内呈曲线流 动，因此必须考虑因流线弯曲所产生的离心力的影响，李新宏( 2 0 0 2 ) l l 习等对一离 心通风机整机流场进行了数值模拟，得到了离心通风机内的许多重要的流动现象， 证实了离心通风机内由于蜗壳和叶轮的相互作用，流动不具有轴对称性，属于三 维的全粘性流动，部件之间的相互关联非常紧密，下游的部件会对上游的流动产 生很大的影响。研究的分析结果为探讨影响离心通风机效率的原因、改进叶型设 计、扩大运行工况范围等研究内容，提供了重要的内流数据。 王企鲲和戴韧1 1 4 i 等对离心风机整机准定常流动数值研究结果，同样证实了蜗 壳的非对称性而导致叶轮与蜗壳的相互作用时会引起整个流场非对称的流动特 征，对离心风机内流场的压力等参数的分布及叶片所受激振力的分析，结果表明 蜗壳周向的压力波动会直接反作用于叶轮出口，使各流道中的流体受到周期性的 堵塞，从而使其产生具有一定周期性的加速与减速运动。这种叶道中流体周期性 的变速运动会造成流体流入叶道时流动角与攻角发生周期性的变化，从而使每个 叶片所受的载荷亦发生周期性的变化。文献【巧l 提出一种考虑进口非均匀流动的蜗 壳流场汁算方法该方法遁过叶轮出1 2 1 边界与蜗壳进口边界上静压分布的迭代计 算，并逐步修正蜗壳入口气流方向模拟叶轮与蜗壳内流场的相互作用通过汁算结 3 江苏大学硕士学位论文 果表明：该方法计算量小，且能获得一定程应的蜗壳进口非均匀流动。 文献1 1 6 l 中使用基于时间推进法的j a m e s o n 格式计算方法，求解了时均n s 方 程和“b a l d w i n - l o m a x ”湍流模式，对一离心风机的梯形截面蜗壳内部流场进行了数 值模拟。研究表明，在蜗壳各径向截面上都存在着一个旋转方向相反、强度交替 变化的涡对，该涡对会随着径向截面位置与蜗壳运行工的变化发生复杂的变化， 对该涡对演化细节的研究有助于探讨蜗壳内流动损失的一些机理。 1 2 2 离心泵叶轮和蜗壳耦合特性数值模拟现状和进展 叶轮和蜗壳是离心泵的重要过流部件，其水力损失的大小直接影响到离心泵 的性能。目前各种类型的离心泵应用越来越广泛，但是常规水力设计已经不能满 足各种复杂运行环境对离心泵水力性能的要求，尽快提高离心泵的水力性能，将 是今后离心泵发展的主要方向。随着计算流体力学、计算机技术和测试技术的不 断发展，离心泵的研究方法和手段也越来越丰富。 离心泵的研究和设计从最初的经验设计，半经验半理论设计；设计工具从手 工设计，二维c a d 辅助设计，发展到现在的三维参数化设计；研究和设计手段从 最初的试验测试到现在的c f d 数值模拟和流场测试技术；研究和设计的理论基础 从一元流动理论、二元流动理论，发展到目前的三元流动理论。离心泵的性能得 到了极大的提高，基本满足了国民经济和社会发展的需要。丰富的研究手段研究 基础为产品的设计提供了理论上的支撑。离心泵的设计理论、结构和性能在目前 科技水平上逐步得到发展和完善。 流场数值模拟是研究离心泵内部流动的有效手段，近年来离心泵三维数值模 拟得到了迅速的发展，已经成为离心泵水力设计的重要辅助工具。离心泵内部数 值模拟解决了理论研究和试验研究难以解决的复杂的流动问题，数值模拟的费用 少、时间短，而且有很好的重复性，条件易于控制。因此，用数值方法研究内部 流场已成为改进和优化设计的一个重要手段。 实际流动中粘性不可忽略以及叶轮有限叶片数带来的蜗壳进口的非均匀性使 得传统方法很难获得对蜗壳内流动的精确描述，单一蜗壳数值模拟不能克服进口 参数非均匀性的局限性，而且全流场计算进出口边界条件容易给定，因此基于吸 入室、叶轮和蜗壳的全流场计算可以更加精确地描述蜗壳内部的流动规律。周兵l 7 1 4 江苏大学硕士学位论文 对双吸离心泵进行了三维全流道定常湍流计算并研究双蜗壳内部流动规律，计算 扬程和设计扬程吻合比较好，表明该方法可较好地模拟非均匀进口条件的双蜗壳 内部流动，能够预测双蜗壳内部水力性能和结构的关系，提高其水力性能。 在叶轮和蜗壳的耦合方面【1 8 】，主要有参考坐标系模型( m r f ) 、混合平面模 型( m p ) 和滑移网格模型( s m ) 。郭鹏程1 1 9 1 对设计工况下离心泵内的全三维紊 流场进行了计算，采用“时间冻结法”处理叶轮与蜗壳问动静耦合流动的参数传递 和相互干扰问题，表明考虑叶轮和蜗壳的耦合关系能较好地预测离心泵内部的流 动。m a r cg u g a u 2 0 1 等采用“时间冻结法”和滑移网格技术预测离心泵性能和耦合面 时均流量的变化特性，结果说明利用“时间冻结法”能较好预测离心泵性能曲线，大 流量工况下“时间冻结法“计算结果误差偏大，采用滑移网格技术能够在全流量精 确预测离心泵的性能。 b l a n c o m a r i g o r t a e ta 1 【2 l 】研究了蜗壳几何参数和相对位置对叶轮和蜗壳的影 响。m i g u e la 瓤坷e 阱】利用c f x - t a s c f l o w 模拟离心泵叶轮和蜗壳相对位置对性能 的影响关系，采用准非定常的“时间冻结法”精确计算了叶轮和蜗壳之间的耦合关 系，研究结果表明蜗壳隔舌使叶轮出口附近产生了非对称的流动参数分布特征， 结果引起了某些叶轮流道产生不对称的气穴现象，而且叶轮周向出口非均匀的压 力分布是流量的函数，引起流道内的水力损失和径向力的变化。小流量工况下， 叶轮某些流道出口易产生回流，造成叶轮出口附近产生比较严重的水力损失。j o g o n z a l c z l 2 3 】研究了离心泵叶轮和蜗壳相互关系，揭示了蜗壳内部二次流影响区域 主要集中在靠近叶轮出口的径向位置。 离心泵全流场数值模拟国内处于发展阶段，研究方向主要集中于定常流动下 内部流场的分布规律，对湍流模型、网格质量以及边界条件对模型的适应性研究 相对较少，所以今后的研究方向应该侧重于离心泵不同部件之间相互关系以及对 性能的影响，非定常流动数值模拟，算法的选择、边界层附近的处理以及数值误 差的评判标准等。国内对离心泵性能预测的研究比较多，通过定常流动的m r f 模 型和s m 模型进行性能预测，能够准确计算出设计工况的外特性参数，但对非设 计工况时的参数预测不太准确，所以通过非定常流动的滑移网格技术能够准确模 拟非设计工况下的扬程、轴功率和效率等参数。总之，离心泵全流场定常或非定 常数值模拟将是今后发展趋势。 5 江苏大学硕士学位论文 国外离心泵数值模拟已经大量应用非定常滑移网格技术，在网格处理上大量 采用块结构化网格、笛卡儿网格技术等等。在边界条件及近壁面处理都能比较真 实反映实际流动的特征。主要研究方向有：离心泵在非设计工况下的压力脉动、 噪声和叶轮以及蜗壳的关系：离心泵结构和水力性能及轴向力、径向力的关系； 离心泵汽蚀的预测模型的研究和判别准则；叶轮和压出室( 蜗壳、导叶或扩压器 等) 的动态耦合关系对性能的影响。总之，数值模拟、内部流场测试和试验也是 国外泵研究的主要手段。如m a r cg u g a u l 2 0 】研究了离心泵叶轮和蜗壳的瞬态耦合特 性，从网格划分以及网格的独立性，湍流模型的选择，不同工况下流场速度、压 力分布，体积流量、径向速度、切向速度和周向速度沿叶轮和蜗壳耦合面周向分 布规律等进行研究。 1 3 冲压焊接离心泵结构特点及研究方法 冲压焊接离心泵叶轮采用不锈钢冲压焊接成型技术，其蜗壳采用与常规铸造 离心泵结构上的主要区别为： 图1 1 冲压焊接离心泵叶片及前、后盖板 1 冲压焊接离心泵叶轮叶片及前、后盖板较薄，叶轮流道内部光滑；而铸造 离心泵叶轮及前、后盖板较厚，叶轮流道内部显得不太光滑。 2 冲压焊接离心泵叶片采用一次成型冲压，通过对叶片及前、后盖板连续焊 接成型；而铸造离心泵一般采用砂型铸造形成毛坯。通过对毛坯表面进行机械加 工而成。 3 冲压焊接离心泵叶轮具有节材、环保、节能等优点，可以通过自动流水线 进行冲压、焊接，可以控制离心泵叶轮等的加工精度，提高产品的质量：而铸造 6 江苏大学硕士学位论文 离心泵叶轮等采用常规铸造方法，产品的精度和质量很难有大的提高。 冲压焊接离心泵的结构特点决定了其研究方法与铸造离心泵有很多不同，对 照冲压焊接离心泵和铸造离心泵的结构特点，主要区别有： 1 由于的边界层厚度不同，所以对于低比转速离心泵而言，边界层的厚度对 两种离心泵性能影响不同。对于冲压焊接离心泵，可以采用二维粘性设计方法， 另外，由于叶轮表面光滑程度不同，水力摩擦损失和圆盘摩擦损失也不同。 2 冲压焊接离心泵叶轮主要包括水力及结构设计、剪裁、冲压成型、焊接等 工艺过程，而铸造离心泵叶轮主要由水力及结构设计、毛坯铸造和机加工组成。 前者要考虑到叶轮冲压和焊接过程的工艺性要求， 3 对于冲压焊接离心泵叶轮，叶轮的水力设计方法、叶片面积的计算和剪裁， 扭曲叶片成型工艺的选择，叶片和前、后盖板焊接工艺的选择显得尤为重要；而 铸造离心泵一般只考虑叶轮的水力设计、毛坯铸造和机械加工等。 总之，由于冲压焊接离心泵的设计方法还不成熟，所以通过初步水力设计、 流场数值计算和试验研究等多种方法优化冲压焊接离心泵的性能。 1 4 本文研究的主要内容 本文通过借鉴低比转速离心泵水力设计方法，利用c f d 技术和试验分析了冲 压焊接离心泵过流部件的内部流动特性，在此基础上提出了冲压焊接离心泵优化 设计目标和措施。本文研究的主要内容有： 1 分析离心泵内部流场数值计算采用的控制方程、湍流模型、边界条件以及 数值计算方法。在此基础上对冲压焊接离心泵叶轮、蜗壳以及其它部件进行实体 建模和网格生成。 2 采用准非定常数值模拟冲压焊接离心泵内部流场。通过对比叶轮和蜗壳耦 合面径向速度分布规律和周向静压分布规律，分析叶轮和蜗壳耦合特性对流场参 数变化的影响。 3 提由基于准非定常数值模拟的冲压焊接离心泵性能预测方法。对冲压焊接 离心泵进行了性能预测，根据试验验证采用准非定常数值预测的可行性。 4 推导冲压焊接离心泵径向力数值预测的数学模型，在此基础上计算不同工 况时冲压焊接离心泵叶轮受到的径向力。 7 江苏大学硕士学位论文 5 在数值分析和性能预测的基础上，提出冲压焊接离心泵优化设计目标。并 通过数值分析和对比验证优化设计方法的可行性。 8 江苏大学硕士学位硷文 2 1 概述 第二章流场计算基本理论与方法 理论流体力学、试验流体力学和计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ， 简称c f d ) 是流体力学的三个主要研究方向。如果说理论流体力学提供了描述流 体运动丰富的数学和物理模型，而试验流体力学发现了流体运动中有重要意义的 现象，c f d 则架起了从数理模型到流动现象之间的桥梁，成为流体力学研究的重 要手段。c f d 是用离散代数的形式代替控制方程中的积分或微分项，在时间、空 间的离散点上获得流场数值解的一种方法。与理论流体力学相比，c f d 的突出优 点是在计算机条件许可的情况下，我们可以采用最适合流动物理本质的数学模型 来求解任意复杂的流动问题。为了抓住决定流动性质的主要因素以提高计算的效 率或与计算机硬件水平相适应，我们通常选用经过适当简化的数学模型。与试验 研究相比，c f d 具有研究费用少，周期短的优点，同时在模拟极端条件下的流体 运动方面，c f d 也显示了明显的优势。因此，c f d 使得我们研究流体运动的范围 和能力都有了本质的扩大和提高。今天c f d 已经取得了和试验流体力学及理论流 体力学同等重要的地位。 c f d 可以应用于所有与流体运动相关的领域。一个完整的c f d 的研究过程通 常包括下面的步骤： 第一，流动区域的几何描述和问题的界定。在数值分析前，先明确待解决问 题的几何形状、流动条件和数值模拟的要求是十分必要的。如果处于设计阶段， 流场的几何形状可能不是完全确定的，这时必须知道流场的几何形状有哪些限制 条件，并根据这些限制条件或其它初步设计手段确定流场的假定几何形状，然后 根据模拟的结果对几何形状进行不断地调整，在多次模拟的过程中，逐步确定最 终的几何形状。流动条件可以包括流动的雷诺数、马赫数、边界处的速度、压力 等。数值模拟的要求包括数值模拟的精确度、所花费的时问和所感兴趣的流动参 数等。 第二，控制方程和边界条件的选定。一般认为，在牛顿流体范围内，所有的 流动现象都可以用n a v i e r - s t o k e s 方程来描述。但是，为了提高计算的效率，在保 9 江苏大学硕士学位论文 证能保留流动的物理本质的前提下，常选用经过简化的数学模型，如势流方程、 e u l e r 方程、边界层方程和薄层近似的n s 方程等。另外根据研究问题的特点，可 以考虑定常或非定常、可压或不可压的流动模型。虽然n s 方程就可以描述湍流 流动，但是直接采用原始的n s 方程计算湍流流动要求网格点的数量非常多，因 而计算量非常大，目前还仅限于一些简单的流动问题。因此，通常采用雷诺平均 的r a n s 方程和某种湍流模式来组成求解问题的控制方程组。一般这类模型按模 型中所包含的偏微分方程数目的个数可分为零方程模型、一方程模型、两方程模 型等。边界条件主要有：固体壁面条件、进口条件、出口条件、周期性条件、对 称条件等。 第三，网格划分策略和数值方法的选择。在c f d 中，网格的类型有结构网格、 非结构网格、混合网格、重叠网格等。网格可以是静止的，也可以是运动的( 动 网格) ，还可能根据数值解动态调整( 自适应网格) 。c f d 中的数值方法有有限差 分、有限体积、有限元、谱方法等。数值方法和网格划分的策略是相互关联的。 例如，如果采用有限差分方法，常选用结构化网格；而有限体积方法和有限元方 法则可以适应于结构和非结构网格。 第四，数值结果和方法的解释与评价。将计算得到的数值解进行综合的评估 是c f d 中非常重要的环节，习惯称为后处理( p o s t p r o c e s s i n g ) 过程。通过后处 理，可以显示感兴趣的物理量的等值线或矢量图，计算力或力矩，估算数值方法 或物理模型的误差等。 c f d 在航空航天、汽车、能源动力、化工、船舶、工业加工等许多领域得到 了广泛应用，已经成为工业设计的重要手段。c f d 计算程序从原来的一维、二维， 向三维方向发展，程序的控制的方程也从基于全位势方程、e u l e r 方程和边界层方 程，向基于雷诺平均的r a n s 方程方向发展。近年来，大涡模拟和直接数值模拟 方法也得到了迅速的发展。随着计算机技术和数值方法的发展，计算流体运动的 商业c f d 软件不断涌现，如f l u e n t 、p h o 聊仉c s 、c f x 和s t a r - c d 等，这为 c f d 更加广泛的工程应用提供了可能。我们借助c f d 这一强有力的手段，可以对 设计的产品进行优化和反向设计，可见c f d 的应用前景也将更加的广阔。 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 2 离心泵内部流动控制方程 2 2 1 控制方程 流体的运动虽然非常的复杂，但都满足质量守恒、动量守恒和能量守恒的规 律。在牛顿流体范围内，这些规律可以用n s 方程描述( 一般情况下n s 方程仅 包含连续方程和动量方程，而在c f d 中常把连续方程、动量方程和能量方程统称 为n s 方程) 。在建立流体力学的控制方程时，根据将这些基本的物理守恒规律作 用于不同的研究模型，可以得到多种形式的流体力学控制方程，如积分型( 守恒 型、非守恒型) 、微分型( 守恒型、非守恒型) 。当考察的对象是一个固定于空间 某一位置的有限控制体，研究不同时刻流体通过这个控制体时的变化，就可得到 一个守恒的积分型控制方程；当考察的对象是一个随着流体一起运动的有限控制 体，研究控制体中同样的流体介质随空间和时间的变化，就可得到一个非守恒的 积分型控制方程。同样，如果考察的研究对象不是有限控制体，而是无限小的流 体单元，则可相应得到微分型的守恒和非守恒方程。从物理上讲，这代表了研究 问题的两种观点，即欧拉场的观点和拉格朗日观点；从数学上说是随体导数与局 部导数、位变导数之间的转化关系。 虽然各种不同的形式的控制方程之间的可以互相转化，从理论上讲，守恒型 方程和非守恒型方程也是等价的，但是在c f d 数值计算中，选择合适的控制方程 的型式对所考察的特定问题( 如激波间断) 有着重要的影响，所以我们一般选用 守恒积分型的控制方程来离散求解。其因是：采用积分型方程允许在控制体内部 流动参数有间断，而微分型方程则要求流动参数是连续可微的：选用守恒型方程， 一方面控制方程可以写成统一形式，这为研究数值方法和编程提供了方便；另一 方面，可以直接用来计算有间断( 如激波) 的流场，而不用对间断进行任何特殊 处理。 下面列出微分守恒型n - s 方程： 1 连续性方程 争苦瓴) 一 眨， 式中： 江苏大学硕士学位论文 d 流体的密度，k g m 3 ； m f 方向的速度，t i 以； 瓯源项。 2 动量方程 昙( 以) + 若( 以_ ) = 一詈+ 每+ e c ： 式中： p 静压，p a ； 是应力张量； 只外部体积力源项。 根据广义牛顿公式，应力张量可表示为： 州考+ 甜箍岛 旺， 式中： 分子粘性系数。 3 能量方程 昙( 胪) + 毒( q ( 肛+ 川= 以+ 坼言( 后詈+ 叶( 毛) + 最 c 2 舢 式中： e ：p + 生 p 内能，j o e 总能，j 。 k 熟传导系数7 s 包括了物理化学反应、热辐射等体积热源项。 1 2 江苏大学硕士学位论文 2 2 2 湍流模型 湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动1 4 4 。在流体机械的 湍流中，流体的速度、压力和温度等都随时间和空间发生随机的变化。目前湍流 模型研究领域存在统计和结构两大学派。从结构上湍流可以看成是由各种不同尺 度的涡旋构成的，涡旋的大小及旋转轴的分布是随机的。存在着各种各样的湍流 理论及湍流模式，例如：湍流相关函数的统计理论和谱分析假定湍流小尺度分 量为局部均匀各向同性。拟序结构理论段定湍流输运性质由有序运动的大涡控 制。混沌( c h a o s ) 和分叉i f u r c a t i o n ) 理论假定湍流解是由稳定解、周期解、间歇 解和混沌解组成的一个非线性数学系统以及大涡模拟l e s ( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) 理论。 关于湍流的数值模拟是目前计算流体力学中困难最多而研究最活跃的领域之 一。已经采用的数值计算方法可以大致分为以下三类1 3 3 1 1 3 4 1h 3 1 1 4 q 【4 5 1 。 1 直接数字模拟1 4 4 1 ( d i r e c tn u m e n c a ls i m u l a t i o n ，d n s ) ，直接求解三维非定 常的n - s 方程。目前只有少数超级计算机才能完成这种计算。 2 大涡模拟【4 5 1 ( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，l e s ) ，根据大尺度涡是湍流脉动和混 合的主要因素，大尺度涡从主流获得能量，小尺度涡耗散能量。在此认识上发展 起来的数字解法，其对计算机性能要求不如d i n s 高。 3 雷诺时均方程( r e y n o l d s - a v e r a g i n ge q u a t i o n ) ，通过对湍流脉动量的时均值 的模型假设，引入各种湍流模型修正的解法。该解法对计算机性能的要求较低， 是目前主要的工程计算方法。 目前雷诺时均方程法，主要分为雷诺应力方程法和湍流粘性系数法( 又称涡旋 粘性系数法) 。在工程上应用最多的是湍流粘性系数法。湍流粘性系数法模型较为 简洁，而且原则上适合于具有任意复杂几何形状和大雷诺数的流场。湍流粘性系 数法模型是基于b o u s s i n e s q ( 1 8 7 7 ) 涡旋粘性系数的湍流模型，假定雷诺应力值可以 用局部的平均速度梯度计算。根据将在湍流粘性系数与时均量联系的方程数，又 可以分为零方程、一方程和二方程( 如标准七一s 双方程模型) 等。在工程中标准七一占 双方程模型应用非常广泛，此标准方程基础为了适应不同计算条件和计算对象又 发展其方程的修正型式，例如在低雷诺数流动应用中，发展j l 七一g 模型、l b k - 模型等模型刚，非线性方面有s p e z i a l 的非线性七一占模型3 4 1 和l a u n d e r 等的 d r s m 模型m l 。 在数值模拟的计算过程中，任何一种湍流模式的使用在一定程度上意味着一种 主观偏差因素的加入，因此，湍流模型的选择对数值结果逼近真实流场的程度有 江苏大学硕士学位论文 着重大影响，在包含叶尖间隙的流场计算中，湍流模型的选择必须考虑适应其特 点的相应模型。 在流体机械数值模拟中，由于其流体的流动是内部流动，这样在内壁面的流 动就相当复杂，为了简化壁面问题，引入壁面函数简化壁面区的流动模拟。c r a f t 和o a n t ( 2 0 0 4 ) 1 4 习的研究表明使用壁面函数法相对小雷诺数方程可以节约大量的计 算时间，但一般的壁面函数很难满足复杂的壁面情况该研究发展了一种新的壁 面函数，通过定义当地子网格型式解算边界层的传输方程，计算情况表明，通过 改进壁面函数可以取得较好的计算结果和时间。 对于不可压流体，雷诺平均的控制方程( r a n s ) 可表示为： 盟：0( 2 5 ) 觑 导c 融，+ 考( 肌叶