（流体机械及工程专业论文）双流道污水泵流动分析与设计方法的研究.pdf

兰州理工大学硕士学位论文 摘要 双流道泵是一种叶轮结构特殊的离心泵，从叶轮的进口至出口是两个对称的弯曲流 道，无堵塞性能好，主要用于抽送生活污水、工业废水和工业流程中含有固体颗粒悬浮 物和纤维状悬浮物的液体。双流道形状特殊，内部流动复杂，是近年来国内外热门的研 究课题和重点开发的新产品。 本文深入研究了5 0 q w 2 5 2 2 3 型双流道污水泵叶轮的水力设计，并运用c f d 数值 模拟技术分别对其在清水介质、固液两相流介质中的数值模拟，分析不同颗粒浓度和不 同颗粒直径对双流道污水泵性能和内部流场的影响，取得了一些创新性的成果。具体研 究内容如下： 1 根据具体参数对双流道污水泵进行水力设计，提出在水力设计中的改进措施。 如k ，b 取值以及蜗壳喉部面积加大到普通离心泵的1 5 3 倍。 2 分析湍流k 一模型，并将其应用于固液两相流的模拟计算中。 3 利用p r o e n g i n e e r 和g a m b i t 软件对所设计的叶轮进行三维造型，并生成网格。 4 采用f l u e n t 6 3 2 6 软件，选用固液两相流k s 模型，在不同固相体积分数( 浓度) 、 不同颗粒粒径下对叶轮内部流场、流态的影响分别进行计算，分析模拟结果。 5 对所研究的污水泵进行了数值计算，预测出外特性并依据试验结果来判定双流 道污水泵的设计是否成功。 研究结果表明，双流道污水泵输送固液两相介质的性能是十分优越的。通过模拟数 据与实测数据的对比，模拟的污水泵性能曲线与实测的性能曲线基本保持一致，所以总 体上来看，本文所研究的双流道式污水泵是成功的，所采用的湍流模型以及边界条件的 给定是合理的。为污水泵设计以及数值计算提供了理论依据。 关键词：双流道污水泵；流道中线；固液两相流：数值模拟；水力设计 a b s t r a c t d o u b l ec h a n n e li m p e l l e rp u m pi sas p e c i a ls t r u c t u r eo ft h ec e n t r i f u g a lp u m p ，1 m p e l i e r i m p o r t st oe x p o r t sf r o mt h et w os y m m e t r i c a lc u r v e df l o w , w i t h o u tb l o c k i n g p e 哟姗a n c c ， m a i n i vu s e df o rp u m p i n gs e w a g e ，i n d u s t r i a lw a s t e w a t e ra n di n d u s t r i a lp 成e s s e sc o n t a l n s o l i dp a r t i c l e ss u s p e n d e df i b r o u sm a t e r i a la n ds u s p e n d e ds o l i d si nt h el i q u i d d u a lc h a n n e l ， s p e c i a ls h a p e ，i n t e r n a lf l o wc o m p l e x i sah o tr e s e a r c ht o p i ci nr e c e n ty e a r sa th o m e a n d a b r o a da n df o c u s e so nt h ed e v e l o p m e n to fn e wp r o d u c t s t h i sa r t i c l es t u d i e st h e5 0 q w 2 5 2 2 3d o u b l ec h a n n e li m p e l l e rs e w a g ep u m p s h y d a u l l c d e s i g na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nu s i n gc f d w e r ei nt h ec l e a rw a t e ro fi t sm e d l u r n s o l i d 1 i q u i dt w o - p h a s e m e d i u mi nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n a l y s i so f d i f f e r e n tp a r t i c l e c o n c e n t r a t i o na n dp a r t i c l es i z eo nt h ed o u b l ec h a n n e lo fd i f f e r e n ts e w a g ep u m pp e 哟m 锄c e a n di n t e m a lf l o wf i e l d ，h a sm a d es o m ei n n o v a t i v er e s u l t s s p e c i f i cs t u d y a sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cp a r a m e t e r so n t h ed o u b l ec h a n n di m p e l l e rp u m p ，h y d r a u l l c d e s i 阻o nh y d r a u l i cd e s i g ni nt h ei m p r o v e m e n tm e a s u r e s s u c hv a l u e s ，a n di n c r e a s e t o o r d i n a r ys p i r a lt h r o a ta r e a1 5 3t i m e s o fc e n t r i f u g a lp u m p 2 a n a l y s i so ft u r b u l e n c em o d e l ，a n da p p l i e dt ot w o p h a s ef l o ws i m u l a t i o n c a l c u l a t i o n s 3 u s i n gp r o e n g i n e e ra n d g a m b i ts o f t w a r ed e s i g n e di m p e l l e rt h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e l i n g , a n dg e n e r a t et h e 鲥d 4 b vf i u e n t 6 3 2 6s o f t w a r e ，u s et w o p h a s ef l o wm o d e l ，a td i f f e r e n t s o l i dv o l u m e f r a c t i o n ( c o n c e n t r a t i o n ) ，p a r t i c l es i z eu n d e r d i f f e r e n ti m p e l l e rf l o wf i e l d ，t h ei m p a c to ff l o w w e r ec a l c u l a t e d ，a n a l y s i so fm o d e lr e s u l t s 5 t os t u d yt h es e w a g ep u m pw a sc a l c u l a t e d ，a n da c c o r d i n g t ot h ef o r e c a s tr e s u l t sg ot 0 d e t e r m i n ew a y so f d o u b l ec h a n n e li m p e l l e rp u m pd e s i g ni ss u c c e s s f u l t 1 l er e s u l t ss h o wt h a tt h ed o u b l ec h a n n e ls e w a g ep u m p i n gp e r f o r m a n c e o fs o l i d - l i q u i d t w o - p h a s em e d i u mi sv e r ya d v a n t a g e o u s s i m u l a t i o n d a t aa n dm e a s u r e dd a t ab yc o m p a r m g t h es i m u l a t e dw a t e rp u m pp e r f o r m a n c ec u l “v - ea n dt h em e a s u r e dp e r f o r m a n c e c u r v e sf e m a l n e d t h es a m e s 0t h eo v e r a l lp o i n to fv i e w , t h i sp a p e rd e s i g n e da d o u b l ec h a n n e l - t y p ew a t e rp u m p i ss u c c e s s f u l ，u s i n gt h et u r b u l e n tm o d e la n db o u n d a r yc o n d i t i o n sg i v e ni sr e a s o n a b l e f o r s e w a g ep u m pd e s i g na n dp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i s f o rn u m e r i c a lc a l c u l a t l o n k e yw o r d ：d o u b l e c h a r m e ls e w a g ep u m p ；c h a n n e lm i d l i n e ；s o l i d f l u i df l o w ；舢m e r i l s i m u l a t i o n ；w a t e rp o w e rd e s i g n i i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名 日期：知加年月 口日 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，即：学校有 权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。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部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。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名 导师签名 日期：加d 年月，d 日 日期潮l 口年易月i o 日 兰州理工大学硕七学位论文 第1 章绪论 双流道泵是一种叶轮结构特殊的离心泵，从叶轮的进口至出口是两个对称的弯曲流 道，无堵塞性能好，主要用于抽送生活污水、工业废水和工业流程中含有固体颗粒悬浮 物和纤维状：悬浮物的液体，如抽送污水污物、泥浆、纸浆、灰渣、粮食、淀粉、鱼虾、 贝壳等。它广泛用于市政、环保、污水处理、轻工、化工、矿山、石油、水利、冶金等 行业。双流道形状特殊，内部流动复杂，是近年来国内外热门的研究课题和重点开发的 新产品。 1 1 污水泵的研究意义 近年来，世界各国为了提高环境质量，都在致力于整治环境污染工作，其中投资环 保与污水处理的基础设施建设相当引人注目，它一方面是对污水排放量大的企业进行整 治，扩建和改造有关的污水处理设施；另一方面是在各城市相继建立以一系列的污水处 理厂，分别处理城市生活污水和工业废水，做到达标排放。 我国作为一个发展中国家，所面临的环境与发展问题更加严峻。我国地域辽阔，人 口众多，但环境治理差，其中水资源的污染十分严重。我国城镇附近水体受污染率已高 达9 0 ，对数亿人口饮用水的安全性构成重大威胁，导致疾病、劳动力丧失、残疾甚至 早亡。污染已成为我国城市安全供水的最大障碍。 为了改善水环境，控制和减少对自然水体的污染，确保水资源的安全，达到社会经 济可持续发展的目标，国家和地方政府对污水处理事业投入了大量的资金，自上世纪9 0 年代始陆续建成并投入运行了一大批城市污水处理厂。 自1 9 8 5 年以来，我国废水年排放总量一直维持在3 5 0 - 4 0 0 亿m 3 左右。1 9 9 6 年全 国6 6 6 个设市城市中5 3 2 个城市没有污水处理厂，13 4 个城市建成的3 0 9 座污水处理厂， 城市污水处理总量仅为4 4 6 亿m 3 ，其中经二级生化处理的仅占6 9 ，有7 7 4 的城市 污水未经任何处理直接排入水体。1 9 9 7 年废水排放量达到最高值4 1 6 亿m 3 ，其中工业 废水排放量2 2 7 亿吨，市政污水排放量1 8 9 亿吨，年集中处理率仅为1 3 4 ，大量未经 处理的城市污水的直接排放已经造成了城市水环境的严重恶化。1 9 9 9 年城市污水污染 负荷首次超过了工业废水污染负荷，我国水污染的重点已经从工业点源为主的控制，逐 步转变为以城市污水污染为主的控制。污水量增加考虑上述因素按5 的速率考虑，到 2 0 1 0 年城市污水排放总量将为1 0 5 0 亿m 3 。这对水源保护将带来巨大压力。对这些城市 污水、工业废水的收集、处理及排放已成为当前环保的一个重大问题。鉴于我国目前的 水环境状况，国家还将继续加大对水污染的治理工作，预计到2 0 1 0 年还要新建城市污 水处理厂达1 0 0 0 余座【l j 。 双流道污水泵流动分析与设计方法的研究 为了实施国民经济的可持续发展战略，环境因素已成为制约经济增长的重要因素， 只有大力发展环保产业，才能促进经济的可持续性发展。从全球范围来看，随着人们环 保意识的不断增强，i s 0 1 4 0 0 0 环境管理体系的实施己非常普及，欧美发达国家已将是 否推行i s o l 4 0 0 0 环境管理体系作为企业通向国际贸易的通行证，没有i s 0 1 4 0 0 0 的认证， 企业将无法涉足国际贸易的舞台。尤其是我国地域辽阔，环境治理差，又面临加入世贸 组织及健全市场经济各项制度的阶段，因此国家对环境治理工作相当重视，连续出台了 一系列政策，如要求在5 年内人口5 0 万以上的城市要建一至两个污水处理厂，每个城 市的污水都要处理，统一排放。 根据有关资料显示，全世界对泵的需求量将以每年5 5 的增长率发展。从地区来 看，泵业潜力最大的市场是拉美、亚洲和中东地区。从泵的类型上看，离心泵的销量仍 将继续居主要地位。由于环境意识的增强和环保法规在欧美各国日益严格，污水和废物 处理用泵将有十分明显的增加。这类泵要求易装易拆、耐腐蚀和耐磨。 总之，泵业市场的发展前景是乐观的。首先，泵作为供水的关键设备，将随世界人 口的增长、生活及灌溉用水的增加而迅速增长。这对第三世界国家泵的需求量将起主要 作用。第二，世界各国对废水的排放处理越来越重视和完善，因而将促进相关泵业，即 污水泵、泥浆泵的发展特别是各国对废水的处理越来越重视和不断完善，高性能的污水 泵需求量愈来愈大。可见，污水泵产品具有巨大的市场潜力弘j 。 为保护环境，促进环保产业国民经济的发展，以及解决我国污水泵技术水平落后的 现状，开展高效、节能型污水泵的研制工作具有重要的现实意义和巨大而广泛的社会效 益。 因此，深入研究污水泵内部流动机理、提高污水泵效率和寿命一直是科研工作者努 力的目标。但至今未研制出较为优良的水力模型，加之国外对此采取技术封锁，使国内 产品的技术指标较世界先进水平有很大差距，远不能满足我国经济和城市发展的需要。 为此解决我国污水泵技术水平落后的现状，开展双流道污水泵的流动分析与设计方法的 研究具有较高的学术价值和重要的现实意义。 1 2 污水泵研究状况 1 2 1 国外污水泵研究现状 流道式无堵塞泵诞生于二十世纪五十年代，它的发展是伴随着无堵塞泵技术的发展 而发展起来的【3 1 。无堵塞泵主要用于含有固体颗粒和纤维物液体的输送。另外，在采矿 业现代化过程中，水力输送就要用到大量的无堵塞泵。流道式无堵塞泵中，目前应用最 多的是潜水排污泵。 2 兰州理工大学硕士学位论文 瑞典飞力公司( s t e r b e r y f l y g t ) 从1 9 5 6 年开始生产潜水排污泵，使污水泵站的成本 大约减少一半，并在建筑施工、隧道、岩洞、矿山、地铁等处广泛应用。到了6 0 年代 末，德国( k s b ) 、美国、日本等国也相继开始生产潜水排污泵。9 0 年代后期，r r r f l y g t 公司开发了开式双叶片n 型叶轮的离心式污水泵，用于输送含固体颗粒和纤维的污水。 目前瑞典飞力公司的潜水排污泵设计新颖、叶轮结构形式多种多样，处于世界发展的前 列。日本的建筑工程用潜水排污泵已经标准化和系列化，在结构形式、材料选用和自动 控制等方面都取得了新的成就。 a k r a t z e r 于1 9 7 9 年首先较全面地总结无堵塞泵设计和选用的问题，他还分析各种 泵对输送物的无损性能，但没有给出设计方法【引。三菱重工于1 9 8 4 年对污水污物泵技 术进行了总结，并给出过水零部件常用的耐磨耐腐材料。 目前美国、德国、日本、瑞士居世界泵业市场的领先地位。就产值而言，世界泵业 市场最重要的部门是能源、化工和污水处理行业，而发展机遇最多的是运输危险介质、 城市给排水、污水处理和食品工业用泵。 根据对国外资料分析可以看出，目前，俄罗斯、日本和欧美一些国家对污水泵作了 不少研究工作，但大多数是有关污水泵的外特性和内部流动的研究，如固体颗粒的种类、 浓度、密度、大小对污水泵性能的影响等。前苏联对污水泵的设计理论和设计方法作过 不少研究，日、欧美等国主要侧重固液理论研究【5 j 。 1 2 2 国内污水泵研究现状 污水泵属于无堵塞泵的一种，具有多种形式：如潜水式和干式二种。目前最常见的 潜水式污水泵为w q 型潜水污水泵，最常见的干式污水泵如w 型卧式污水泵和w l 型 立式污水泵二种【6 j 。主要用于输送城市污水、粪便、液体中含有纤维、纸屑等固体颗粒 的介质，通常被输送介质的温度不大于8 0 0 而污水泵叶轮常用的结构型式有：开式或半 开式叶轮、闭式叶轮、旋流式叶轮、螺旋离心式叶轮、单流道式叶轮和双流道式叶轮。 单流道式叶轮： 从叶轮进口到叶轮出口是一个弯曲的流道( 见图1 1 ) 适合输送含大颗粒和含纤维物 质的流体。它的无堵塞和抗缠绕性能在几种无堵塞泵中最佳的。泵的效率较高，耐磨性 好，功率曲线平坦，对输送物料的无损性好。但由于其结构的非对称性，加之在运行中 脉动出流，径向力很大。因此对平衡要求较高，运行的平趋性较差。 图1 1 单流道式叶轮 3 双流道污水泵流动分析与设计方法的研究 双流道式叶轮g 双流道式叶轮( 见图2 2 ) 的特点和性能基本上和单流道式污水泵相同( 见图1 1 ) 只 不过双流道式污水泵叶轮出口是两个弯曲的流道。由于在同流量下其过流面积较单流道 式污水泵小，所以无堵塞性能比单流道污水泵差。但因其有对称的流道，故平衡性好， 运行平稳，具有很好的应用价值，双流道叶轮的效率高，高效区宽，额定工况点泵的效 率比a 厂r 3 0 3 8 1 9 9 5 标准的规定值高1 3 0 4 ，叶轮的功率曲线较平坦，在从零扬程到 关死扬程的全扬程范围内的最大轴功率远小于额定功率，无过载性能好，可以在全扬程 范围内安全运行【7 。由于流道式叶轮具有明显优点，所以采用流道式叶轮代替通常污水 泵所用的闭式叶片式叶轮是一种发展趋势。另外，从抗缠绕、无堵塞性能、通过能力、 效率指标、工艺性、经济性、可靠性、先进性等的综合分析比较，流道式叶轮也优于其 它几种叶轮结构型式，因而具有很强的推广应用价值。 经上述特点比较，可以发现双流道式叶轮在通过能力及运行平衡性方面具有较好的 性能，可在许多场合得到广泛的应用，因此本文将以双流道叶轮为研究目标。 f 门 r i ， 寸 峙毫力 、一 图1 2 双流道式叶轮 国内对双流道式污水泵的研究工作始于8 0 年代末9 0 年代初，关醒凡于1 9 9 5 年在国内 最早提出和系统总结了各类污水泵的设计方法。此后施卫东、刘厚林、袁寿其等学者对 双流道污水泵的水力设计方法及数值模拟、c a d 设计方面开始了较系统的研究口。刘厚 林在2 0 0 1 完成了污水泵的c a d 软件设计并实用化阻引，软件版本现升级至j j 2 0 0 4 等。从 2 0 0 3 年开始，齐学义等也对双流道污水泵的水力设计和内部流动进行了系统研究。目前， 国内研究人员的主要工作集中在双流道叶轮和蜗壳的水力设计方面以及相关产品的开 发【8 】o 1 3 本课题研究的主要内容 1 分析湍流k 一模型，并将其应用于固液两相流的模拟计算中。 2 根据具体参数设计双流道污水泵的叶轮。 3 利用p r o e n g f n e e r 和g a m b i t 软件对所设计的叶轮进行三维造型，并生成网格。 4 采用f l u e n t 6 3 2 6 软件，选用固液两相流k 一模型，在不同固相体积分数( 浓度) 、 不同颗粒直径下对叶轮内部流场、流态的影响分别进行计算。 5 对上述计算出的相关数据进行分析，找出不同固相体积分数( 浓度) 、不同颗粒 4 兰州理工大学硕士学位论文 粒径对叶轮内部流场的影响规律。 6 根据计算数据的分析结果，来判定双流道污水泵的叶轮设计是否成功。 5 双流道污水泵流动分析与设计方法的研究 2 1f l u e n t 软件介绍 第2 章软件介绍 f l u e n t 是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出的一个用于模拟和分析在复杂几何区 域的流体流动与热交换问题的专用c f d 软件。f l u e n t 是目前功能最全面、适用性最 广、国内使用最广泛的c f d 软件之一【9 1 。l u e n t 使用g a m b i t 作为前处理软件，它可 读入多种c a d 软件的三维几何模型和多种c a e 软件的网格模型。 f l u e n t 可用于二维平面、二维轴对称和三维流动分析，可完成多种参考系下流场 模拟、定常与非定常流动分析、不可压流和可压流计算、层流和湍流模拟、传热和热混 合分析、化学组分混合和反应分析、多相流分析、固体和流体耦合传热分析、多孔介质 等流动的流场模拟、分析和计算。它的湍流模型包括k s 模型、r e y n o l d s 应力模型、l e s 模型、标准壁面函数模型、双层近壁模型等。 f l u e n t 可让用户定义多种边界条件，如流动入口及出口边界条件、壁面边界条件等， 可采用多种局部的笛卡儿和圆柱坐标系的分量输入，所有边界条件均可随空间和时间变 化，包括轴对称和周期变化等。提供的用户自定义子程序功能可让用户自行设定连续方 程、动量方程、能量方程或组分输运方程中的体积源项，自定义边界条件、初始条件、 流体的物性、添加新的标量方程。 在f l u e n t 中解的计算和显示可以通过交互式的用户界面来完成。用户界面是通 过s c h e m e 语言编写的。其后处理程序可以有效地观察和分析流动计算结果，功能包括 计算过程中各种状态的监控；速度矢量线、填充型等值线图( 云图) 的显示；动态模拟流 动效果，方便直观地了解c f d 的计算结果i l 0 。 f l u e n t 用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多 种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而f l u e n t 能达到最佳的收敛速度和求解 精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使 f l u e n t 在转捩与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动 变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。本文中对污水泵内部流 场全三维湍流流动的数值模拟过程就是利用f l u e n t 完成的i l 。 f l u e n t 软件具有以下特点：采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且 具有基于网格节点和网格单元的梯度算法；定常非定常流动模拟，而且新增快速 非定常模拟功能；f l u e n t 软件中的动变形网格技术主要解决边界运动的问题， 用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自 动生成。网格变形方式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。 6 兰州理工大学硕士学位论文 其局部网格重生式是f l u e n t 所独有的，而且用途广泛，可用于非结构网格、变 形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问 题；f l u e n t 软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、 动变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，f l u e n t 软件还拥有多种基于解的 网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术； f l u e n t 软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法， 是商用软件中最多的；f l u e n t 软件包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够 精确地模拟无粘流、层流、湍流【1 2 1 。湍流模型包含s p a l a r t a l l m a r a s 模型、k - t o 模 型组、k - e 模型组、雷诺应力模型( r s m ) 组、大涡模拟模型( l e s ) 组以及最新的分 离涡模拟( d e s ) 和v 2 f 模型等。另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型；适 用于牛顿流体、非牛顿流体；含有强制自然混合对流的热传导，固体流体的热 传导、辐射；化学组份的混合反应；自由表面流模型，欧拉多相流模型，混合多 相流模型，颗粒相模型，空穴两相流模型，湿蒸汽模型；融化溶化凝固；蒸发 冷凝相变模型；离散相的拉格朗日跟踪计算；非均质渗透性、惯性阻抗、固体热 传导，多孔介质模型( 考虑多孔介质压力突变) ；风扇、散热器，以热交换器为 对象的集中参数模型；惯性或非惯性坐标系，复数基准坐标系及滑移网格；动静 翼相互作用模型化后的接续界面；基于精细流场解算的预测流体噪声的声学模型； 质量、动量、热、化学组份的体积源项：丰富的物性参数的数据库；磁流体模块 主要模拟电磁场和导电流体之间的相互作用问题；连续纤维模块主要模拟纤维和 气体流动之间的动量、质量以及热的交换问题；高效率的并行计算功能，提供多 种自动手动分区算法；内置m p i 并行机制大幅度提高并行效率。另外，f l u e n t 特有动态负载平衡功能，确保全局高效并行计算。 f l u e n t 的软件设计基于c f d 计算机软件群的概念，针对每一种流动的物理 问题的特点，采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到 最佳。由于囊括了f l u e n td y n a m i c a li n t e r n a t i o n a l 比利时p o l y f l o w 和f l u e n t d y n a m i c a li n t e r n a t i o n a l ( f i d ) 全部技术力量( 前者是公认的在黏弹性和聚合物流 动模拟方面占领先地位的公司，后者是基于有限元方法c f d 软件方面领先的公 司) ，因此f l u e n t 软件具有如下优点：( 1 ) 功能强，适用面广。包括各种优化物 理模型如：计算流体流动和热传导模型( 包括自然对流、定常和非定常流动、层流、 湍流、紊流、不可压缩和可压缩流动、周期流、旋转流及时间相关流等) ，辐射模 型，相变模型，离散相变模型，多相流模型及化学组分输运和反应流模型等。对 每一种物理问题的流动特点，有适合它的数值解法，用户可对显式或隐式差分格 式进行选择，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。( 2 ) 高效，省时。 f l u e n t 将不同领域的计算软件组合起来，成为c f d 计算机软件群。软件之间可 7 双流道污水泵流动分析与设计方法的研究 以方便地进行数值交换，并采用统一的前、后处理工具，这就省却了科研工作者 在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精 力和智慧用于物理问题本身的探索上。( 3 ) 建立了污染物生成模型，包括n o x 和 r o x ( 烟尘) 生成模型。其中n o x 模型能够模拟热力型、快速型、燃料型及由于燃 烧系统里回燃导致的n o x 的消耗。而r o x 的生成是通过使用两个经验模型进行 近似模拟，且只使用于紊流。 f l u e n t 软件程序主要包括三个模块t 1 前处理器g a m b i t g a m b i t 是专用前处理软件包，用来为c f d 模拟生成网格模型同时也是为了帮 助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学( c f d ) 模型和其它科学应用而设计的一 个软件包。g a m b i t 通过它的用户界面( g u i ) 来接受用户的输入【l 引。g a m b i tg u i 简单而又直接的做出建立模型、网格化模型、指定模型区域大小等基本步骤，然而这对 很多的模型应用已是足够了。面向c f d 分析的高质量的前处理器，其主要功能包括几 何建模和网格生成。由于g a m b i t 本身所具有的强大功能，以及快速的更新，在目前 所有的c f d 前处理软件中，g a m b i t 稳居上游。 g a m b i t 软件具有以下特点： a c i s 内核基础上的全面三维几何建模能力，通过多种方式直接建立点、线、面、 体，而且具有强大的布尔运算能力，a c i s 内核已提高为a c i sr 1 2 。该功能大大领先于 其它c a e 软件的前处理器；可对自动生成的j o u r n a l 文件进行编辑，以自动控制修改或 生成新几何与网格；可以导入p r o e 、u g 、c 胁、s o l i d w o r k s 、a n s y s 、p a t r a n 等大多数c a d c a e 软件所建立的几何和网格。导入过程新增自动公差修补几何功能， 以保证g a m b i t 与c a d 软件接口的稳定性和保真性，使得几何质量高，并大大减轻工 程师的工作量；新增p r o e 、c a t i a 等直接接口，使得导入过程更加直接和方便；强 大的几何修正功能，在导入几何时会自动合并重合的点、线、面；新增几何修正工具条， 在消除短边、缝合缺口、修补尖角、去除小面、去除单独辅助线和修补倒角时更加快速、 自动、灵活，而且准确保证几何体的精度；g 刖r b o 模块可以准确而高效的生成旋转 机械中的各种风扇以及转子、定子等的几何模型和计算网格；强大的网格划分能力，可 以划分包括边界层等c f d 特殊要求的高质量网格。g a m b i t 中专用的网格划分算法可 以保证在复杂的几何区域内直接划分出高质量的四面体、六面体网格或混合网格；先进 的六面体核心( h e x c o r e ) 技术是g a m b i t 所独有的，集成了笛卡尔网格和非结构网 格的优点，使用该技术划分网格时更加容易，而且大大节省网格数量、提高网格质量； 居于行业领先地位的尺寸函数( s i z ef u n c t i o n ) 功能可使用户能自主控制网格的生成过 程以及在空间上的分布规律，使得网格的过渡与分布更加合理，最大限度地满足c f d 分析的需要；g a m b i t 可高度智能化地选择网格划分方法，可对极其复杂的几何区域 8 兰州理工大学硕士学位论文 划分出与相邻区域网格连续的完全非结构化的混合网格；新版本中增加了新的附面层网 格生成器，可以方便地生成高质量的附面层网格；可为f l u e n t 、p o l y f l o w 、f i d a p 、 a n s y s 等解算器生成和导出所需要的网格和格式。但对于复杂的c f d 问题，特别是三 维c f d 问题，g a m b i t 并不是很有效，这时，需要借助专用c a d 软件( 如 p r o e n g i n e e r ) 来完成几何建模。g a m b i t 可以导入c a d 软件或前处理软件生成的 几何模型，能够导入的几何模型文件的类型包括a c i s 、p a r a s o l i d 、i g e s 和s t e p 等格 式。 2 求解器 ( 1 ) 求解器 f l u e n t 软件采用有限体积方法，并提供了分离式和耦合式两类求解器，而耦合 式求解器又分为隐式和显式两种。分离式求解器以前主要用于不可压缩流动和微可压缩 流动，而耦合式求解器用于高速可压流动。现在，两类求解器都适用于不可压缩流动到 高速可压的很大范围的流动，但总的来讲，当计算高速可压流动时，耦合式求解器比分 离式求解器更有优势。 f l u e n t 默认使用分离式求解器，但对于高速可压流动、由强体积力( 如浮力或者 旋转力) 导致的强耦合流动，或者非常精细的网格上求解的流动，需要考虑耦合式求解 器。耦合式求解器耦合了流动和能量方程，常常很快可以收敛。 a ) 分离式求解器 分离式求解器是顺序地、逐一地求解各方程( 关于u 、v 、w 、p 和t 的方程) 。 也就是先在全部网格上解出一个方程后，再求解另一个方程。由于控制方程是非线 性的，所以在得到收敛解之前，要经过多轮迭代。该算法是一种很成熟的算法，在 应用上经过了很广泛的验证，这种方法拥有流体体积模型、多项混合模型、欧拉混 合模型、p d f 燃烧模型、预混合燃烧模型、部分预混合燃烧模型、烟灰和r o x 模 型、r o s s e l a n d 辐射模型、熔化和凝固等相变模型、指定质量流量的周期流动模型、 周期性热传导模型和壳传导模型等。 b ) 耦合求解器 耦合求解器是同时求解连续方程、动量方程、能量方程及组分输运方程的耦合 方程组，然后逐一求解湍流等标量方程。由于控制方程是非线性的，且相互之间是 耦合的，因此，在得到收敛解之前，要经过多轮迭代。为此，可采用隐式和显式两 种方案实现这一线性化过程，两种方法的物理意义如下： 隐式：对于给定变量，单元内的未知量用邻近单元的已知和未知量来计算。因 此，每一个未知量会在不止一个方程中出现，这些方程必须同时求解才能解出未知 量的值。 显式：对于给定变量，每一个单元内的未知量用只包含已知值的关系式来计算。 9 双流道污水泵流动分析与设计方法的研究 因此，未知量只在一个方程中出现，而且每一个单元内的未知量的方程只需解一次 就可以给出未知量的值。 这种方法适用于理想气体模型、用户定义的理想气体模型、n i s t 理想气体模 型、非反射边界条件和用于层流火焰的化学模型。 3 后处理器 后处理的目的是有效地观察和分析流动计算结果。随着计算机图形功能的提高， f l u e n t 提供了较为完善的可视化功能( 以表面为基础) ，可以用多种方式显示和输出 计算结果，例如，显示速度矢量图、压力等值线图、等温图、压力云图、流线图，绘制 x y 散点图、残差图，生成流场变化的动画，报告流量、力、界面积分、体积分及离散 相关的信息等。 2 2p r o e 软件介绍 p r o e ( p r o e n g i n e e r 操作软件) 是美国参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ，简称p t c ) 的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要 地位，并作为当今世界机械c a d c a e c a m 领域的新标准而得到业界的认可和推 广，是现今最成功的c a d c a m 软件之一【1 4 1 。 p r o e 第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的 相关性问题。另外，它采用模块化方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装 配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用p r o e 的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它 不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。 1 特征功能 p r o e n g i n e e r 是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人 员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您 可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上 从未有过的简易和灵活。 2 单一数据库 p r o e n g i n e e r 是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的c a d c a m 系 统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库， 使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之， 在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环 节上。例如，一旦工程详图有改变，n c ( 数控) 工具路径也会自动更新；组装工 程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上，这样可确保资料的正确性， 1 0 兰州理工大学硕士学位论文 并避免反复修正的耗时性，确保工程数据的完整与设计修改的高效。这一优点，使得 设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。 3 参数式设计 p r o e n g i n e e r 是一个参数化的系统，根据参数创建设计模型，几何形状的大小都由 尺寸参数控制，用户在产品设计过程中使用的所有尺寸参数与物理参数都存在于单一的 数据库中，可以随时修改这些参数，并可对设计对象进行简单的分析，计算出模型的体 积、质量和惯性矩等。特征之间存在着相互依赖的关系，使得某一单独特征的修改，会 牵动其他特征的变更。用户还可以使用数学运算方式建立各特征的数学关系，使得计算 机能自动计算出模型应有的形状和固定位置。通过设置特征参数关系式来保持特征的位 置，体现其参数化的特点。 4 三维实体造型 三维实体造型可以将使用者的设计概念，以最真实的模型在计算机上呈现出来，随 时计算出产品的体积、面积、质心、重量、惯性矩等属性，解决复杂产品之间的干涉， 提高效率，降低成本，便于设计人员与管理人员之间的交流。它避免了传统二维下的点、 线、面设计的不足。三维实体模式设计形象、逼真、直观，而二维设计需要用户进行空 间想象。 5 系列化 p r o e n g i n e e r 能够依据创建的原始模型，通过家族表改变模型组成对象的数量或尺 寸参数，建立系列化的模型，应用此系列化特点可以建立国家标准零件。 双流道污水泵流动分析与设计方法的研究 第3 章污水泵理论研究 3 1 流动理论的研究 国内对污水泵内部流场的研究主要集中在颗粒运动规律的数值模拟与试验研究上。 彭维明等第一次用e u l e r l a g r a n g e 模型，结合雷诺输运定律，计算水涡轮机械中轴对称 的固液两相流，得出颗粒从叶轮进口到出口的速度分布，并对颗粒速度的变化原因进行 分析。朱金曦用有限元法对离心泵叶轮s - 流面流动进行流场计算，在此基础上用拉格 朗日计算颗粒的轨迹，计算结果与实验结果吻合。刘小兵等人用k 一双方程湍流模式 对一水轮机蜗壳中含沙水流及磨损分布进行模拟，其预测结果与实验结果较为一致【1 5 j 。 由于污水泵流动介质的特殊性，使其叶轮内部流动规律的揭示依赖于两相流甚至多 相流的理论和实验水平及湍流研究的发展。污水泵的性能与叶轮的型式有密切的关系， 流道式叶轮又称无叶片叶轮，从叶轮进口至叶轮出口是一个或两个弯曲的流道，特别适 合于输送含大颗粒或长纤维物质的液体。 国内外对固液两相流动理论作了很多研究，但大多为管道内的流动。在两相流条件 下，因为惯性力不同，固液两相各以不同的速度运动。只有根据两相流的速度场来设计 泵的叶型和流道才能更有效地转换能量并降低磨损。但泵内的流态十分复杂，即使清水 也无法用纯数学的方法求解，对于两相流困难更大。到目前为止，还没有建立一个公认 的数学方程式。 7 0 年代中期，蔡保元教授首先提出了两相流理论及设计原理，即相对堵塞和相对抽 吸理论：当固体速度小于水流速度时( 例如在叶轮进口) ，固相对水流产生相对堵塞效 应；反之产生相对抽吸作用( 例如在叶轮出口) 。故而提出了两相流水流畸变设计法并 给出了畸变方程和输运方程。这个理论开创了固液两相流宏观研究的新局面。8 0 年代末， 许洪元教授提出了固液两相流速度比理论，即：离心泵中两相流动属于分离流动，在流 道的不同部位，固体颗粒的受力不同，固液两相间的速度比发生变化，使两相流体的浓 度比随之变化，由此导出了固液速度比方程，并给出了叶轮几何参数的计算公式。 研究泵轮内固体颗粒运动规律对污水泵设计有着重要的指导意义。3 0 年前国外就有 学者采用高速摄影技术拍摄泵轮中固体颗粒运动轨迹，此后这方面的研究时有报道。苏 波隆用高速摄影机拍摄了叶轮中颗粒分别为8 - - 1 0 m m 的沙砾和1 2 m m 的沙子的运动轨 迹，结果表明：颗粒质量越大，其运动轨迹越偏离叶片工作面。沙利亚分别于1 9 7 5 年和 1 9 8 3 年利用高速摄影技术得到了固体颗粒的运动轨迹，1 9 7 5 年作出的结论是颗粒质量越 大，其运动轨迹越靠近叶片工作面，与苏波隆结论截然相反：而1 9 8 3 年作出的结论和苏 波隆的结论相同。板谷树用高速摄像机拍摄泵轮中颗粒分别为5 1 9 m m 、8 8 2 m m 、 1 2 兰州理工大学硕士学位论文 1 2 7 5 m m 的玻璃球的运动轨迹，并用l a g r a n g e 法进行理论计算，发现在该粒径范围内， 质量对运动轨迹几乎没有影响。 国内自2 0 世纪8 0 年代后期