（流体机械及工程专业论文）射流式自吸喷灌泵性能数值预测及气液两相流分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本课题属围家高新技术研究发展( 8 6 3 计划) 项目“变量喷洒低能耗轻小型 喷灌机组”( 项目编号：2 0 0 饿1 0 0 2 1 1 ) 课题研究内容之一。 由于自吸泵能够实现自吸，便于远程集中控制，实行自动化操作，因此应用 十分广泛。随着社会的进步和工农业的发展，人们对自吸泵的自吸、效率等方面 的性能提出了更高的要求。因此，课题组研究了一种自吸时问短、效率高的射流 式自吸喷灌泵，其工作原理是在普通自吸泵的基础上集成一套能自动关闭回流阀 的射流系统，自吸过程中通过射流系统产生的射流提高了泵的自吸性能，而泵完 成自吸后，回流阀自动关闭，很大程度上提高了泵的效率。 本文主要借助c f d 软件研究了影响射流式自吸喷灌泵性能的因素，分析了 泵性能的定常、非定常预测方法及应用，并模拟了泵在自吸过程中的气液两相流 流场。其研究工作和创新点如下： 1 ) 运用f l u e n t 软件提供的定常算法模拟了射流式自吸喷灌泵在以下三种 情况下的湍流流场：( a ) 回流阀关闭；c o ) l 司流阀关闭且忽略储液室和气液分离室 对泵效率的影响；0 ) 回流阀开启。通过模拟得到射流式自吸喷灌泵各个性能参 数的预测值，结合试验结果检验预测值的准确性，并分析了回流阀、储液室和气 液分离室对泵性能的影响。预测及试验结果表明回流阀对泵的性能影响较大，在 接近设计工况下，回流阀关闭时泵的效率比回流阀开启时的效率提高2 0 左右， 而储液室和气液分离室对泵的效率影响较小。 2 ) 运用f l u e n t 软件提供的非定常算法模拟了射流式自吸喷灌泵的全流场， 得到了h 、r 和p 随时间的波动曲线。研究中还采用了不同的时间步长模拟射流 式自吸喷灌泵在不同流量下的全流场，且每次迭代计算过程中均采集周期变化规 律稳定的周期的数据，再通过数据处理得到各个流量下日、7 7 和p 的预测值；最 后与试验结果比较，分析了时间步长对预测值的准确性的影响。结果表明时间步 长的大小对计算结果影响较大，在接近设计流量的工况下，采用t = 0 0 0 0 5 7 4 7 秒 的时间步长计算得到的泵效率比试验值小1 0 左右，而f = 0 0 0 0 0 5 7 4 7 秒的时间 步长计算得到的泵效率与试验值仅相差1 5 左右。 3 ) 采用f l u e n t 软件提供的m i x t u r e 两相流模型模拟了射流式自吸喷灌泵 江苏大学硕士学位论文 自吸过程中的气液两相流，得到了泵进口不同含气率下叶轮和蜗壳内的压力、速 度、气相的分布规律，分析了气液两相分布的不均匀对泵自吸性能的影响，对射 流式自吸喷灌泵自吸性能的优化设计提供一定的参考依据。 关键词：喷灌泵，数值模拟，非定常，时间步长，性能预测，气液两相流，回流 阀 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h ew o r ki nt h i sp a p e ri sap o r t i o no ft h en a t i o n a lh i t e c hr e s e a r c h & d e v e l o p m e n tp r o g r a m ( 8 6 3p r o 伊a m ) 一“l i g h ta n dm i n i a t u r ev a r i a b l es p r i n k e r s y s t e mw i t hl o we n e r g yc o n s u m p t i o n ( n o ：2 0 0 6 a a l 0 0 2 1 1 ) ” d u et os e l f - p r i m i n gf u n c t i o n ，c o n v e n i e n tr e m o t ec o n t r o la n da u t o m a t i co p e r a t i o n c o m et r u e ，s e l f - p r i m i n gp u m ph a sb e e na p p l i e dm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e l y w i t ht h e p r o g r e s so fs o c i e t ya n dt h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e ，i ti sr e q u i r e dt h a t t h es e l f - p r i m i n gp u m ph a v eh i g h e rs e l f - p r i m i n gf u n c t i o na n de f f i c i e n c y s m d 妒n g t e a mh a se x c o g i t a t e das e l f - p r i m i n gi r r i g a t i o n p u m pw i t hap e r f o r m a n c eo ff a s t s e l f - p r i m i n ga n dh i g he f f i c i e n c y as e to fj e ts y s t e mh a sb e e na d d e dt ot h en o r m a l s e l f - p r i m i n gp u m p ，w h i c hc a nc l o s et h er e c y c l i n gv a l v ea u t o m a t i c a l l y a n dt h e j e t - f l o wg e n e r a t e db yt h ej e ts y s t e mc a nb o o s tt h ep u m p ss e l f - p r i m i n gp e r f o r m a n c ei n t h es e l f - p r i m i n gp r o c e s s ，f u r t h e r m o r e ，i th a si m p r o v e dt h ep u m p se f f i c i e n c yg r e a t l y b e c a u s eo ft h ea u t o m a t i cc l o s i n go ft h er e c y c l i n gv a l v ew h i l et h es e l f - p r i m i n gp r o c e s s i sc o m p l e t e d t h i s p a p e rm a i n l y r e s e a r c h e si n f l u e n c i n gf a c t o r so fs e l f - p r i m i n g i r r i g a t i o n p u m p sp e r f o r m a n c eb yu s i n gt h ef l u e n ts o f t w 棚e ，a n da n a l y s i st h em e t h o d so f s t e a d ya n du n s t e a d yp r e d i c t i o no nt h ep u m p sp e r f o r m a n c e t h i sp a p e ra l s os i m u l a t e s g a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o wo fs e l f - p r i m i n gp r o c e s s t h em a i nw o r ka n da c h i e v e m e n t s r e a da sf o l l o w s ： b ys t e a d y i n gm e t h o do ff l u e n t , t h et h r e ed i m e n s i o n a lt u r b u l e n tf l o ww a s s i m u l a t e dw i t h i nt h es e l f - p r i m i n gi r r i g a t i o np u m pu n d e rt h r e ed i f f e r e n ts i t u a t i o n s ：( a ) c l o s i n gr e c y c l i n gv a l v e ，( b ) c l o s i n gr e c y c l i n gv a l v ea n dn e g l e c t i n gt h ee f f e c to fo u t e r p u m pc a s i n g ，( c ) n o tu s i n go fr e c y c l i n gv a l v e t h er e s u l t sa r eg a i n e db yc a l c u l a t i n g t h ep r e d i c t i v ev a l u eo fs e l f - p r i m i n gi r r i g a t i o np u m p sp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s b a s e d o i lt h es i m u l a t i o nr e s u l t ，t h er e c y c l i n gv a l v eh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h ep u m p s p e r f o r m a n c e ，w h i l et h eo u t e rp u m pc a s i n gh a sl i t t l ee f f e c to nt h ep u m p se f f i c i e n c y t h er e s e a r c hf i n do u tt h a t ，i nc l o s e dt ot h ec o n d i t i o no fd e s i g nd i s c h a r g e ，t h ep u m p s e f f i c i e n c yw h e nt h er e c y c l i n gv a l v ew a sc l o s e dc o m p l e t e l yi sh i g h e rb ya b o u t2 0 t h a nt h ep u m p se f f i c i e n c yw h e nt h er e c y c l i n gv a l v ei sn o tu s e d b yf l u e n t , t h et h r e ed i m e n s i o n a lu n s t e a d yt u r b u l e n tf l o ww a ss i m u l a t e d m 江苏大学硕士学位论文 w i t h i nt h es e l f - p r i m i n gi r r i g a t i o np u m p ，a n dt h ew a v ec u r v e o f h ，r a n dph a v e b e e n a t t a i n e d b e s i d e s ，t h er e s e a r c ha l s os i m u l a t e st h et h r e ed i m e n s i o n a lu n s t e a d vt u r b u l e n t f l o wi nd i f f e r e n tt i m es t e ps i z e s ，a n dt h e na c q u i r e sp r e d i c t i v ev a l u eo f h ，r a n dp b y p r o c e s s i n gt h ed a t aw h i c hi sa c q u i r e db ys i m u l a t i o ni nd i f f e r e n tt i m es t e ps i z e s t h e r e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h ep r e d i c t i v ev a l u ew i t he x p e r i m e n t a ld a t a ，w h i c h s u g g e s t s t h a tt h et i m es t e ps i z eh a v eg r e a te f f e c tt ot h ea c c u r a c yo fp r e d i c t i v ev a l u e t h e r e s e a r c hr e v e a l st h a t ，i nt h ec o n d i t i o nd o s e dt od e s i g nd i s c h a r g e ，t h ep r e d i c t i v ev a l u e i sa c q u i r e dw h e nt i m es t e ps i z ei s0 0 0 0 5 7 4 7 ，b u tt h ep r e d i c t i v ev a l u ei s1 0 l o w e r t h a nt h ee x p e r i m e n tv a l u e ，w h i l et h ee f f i c i e n c yi s o n l yl o w e rb ya b o u t1 5 w h e n t i m es t e ps i z ee q u a lt o0 0 0 0 0 5 7 4 7 t of u r t h e rs t u d yt h eg a s - l i q u i d t w o - p h a s e f l o wm e c h a n i s mi n s e l f - p r i m i n g p r o c e s sw i t h i nt h es e l f - p r i m i n gi r r i g a t i o np u m p ，t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o ni s p e r f o r m e df o rt h eg a s - l i q u i dt w o - - p h a s et u r b u l e n tf l o wi nt h es e l f - p r i m i n gi r r i g a t i o n p u m pb yu s i n gm i x t u r em o d e lo ft h ef l u e n ts o f t w a r e t h ee f f e c to ns e l f - p r i m i n g p e r f o r m a n c ei sa n a l y z e db yt h ef o r m e r - a t t a i n e df l o wf i e l do nt h ef o l l o w i n gf a c t o r s ： t h ep r e s s u r ei nt h ep u m p ，t h ev e l o c i t yi nt h ep u m p ，t h ed i s t r i b u t i o no fg a sa n dl i q u i d p h a s ei nt h ep u m pa n du n e v e nd i s t r i b u t i o no fg a s - l i q u i dt w o p h a s e t os o m ee x t e n t , t h er e s u l t sp r o v i d er e f e r e n c e sf o rs e l f - p r i m i n gp u m pd e s i g n k e yw o r d s ：i r r i g a t i o np u m p ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，u n s t e a d yf l o w , t i m es t e p ， p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n ，g a s - l i q u i dt w o p h a s ef l o w , r e c y c l i n gv a l v e i v 独创性声明 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：茅起歙 日期：加0 7 年陟月2 f 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， 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。 不保密函。 学位论文作者签名：荔挝钦 指导教师签名：多tl 够舻矽 矽。7 年协月叫日乙一尸年，月2 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 我困足一个水资源贫乏的国家，水资源时空分伟不均。虽然水资源总量居世 界第六位，但人均占有量只有2 3 0 0 立方米，约为世界人均水平的1 4 ，列世界第 1 2 1 位，是世界1 3 个贫水国家之一【。 我国水资源形势非常严峻，新中国成立6 0 年来，全国用水量从1 9 4 9 年的1 0 0 0 多亿立方米增加到1 9 9 7 年的5 5 6 6 亿立方米。据预测，到2 0 3 0 年我国人口增至 1 6 亿时，人均水资源量将降低到1 7 6 0 立方米，按国际一般承认的标准，人均水 资源量少于1 7 0 0 立方米为用水紧张的国家。但在水资源短缺的情况下，我国水 资源在开发和使用中浪费十分严重，水资源的有效利用率只有1 6 1 2 1 。 我国是农业大国，水资源严重溃缺，目前1 3 3 亿h m 2 耕地中，尚有0 5 5 亿h m 2 无灌溉条件的干早地，有0 9 3 亿h m 2 草场缺水，全国每年有o 2 亿h m 2 农田受旱 灾威胁，农业缺水量达3 0 0 0 亿m 3 。根据有关农业用水预测：农业用水量取决于 灌溉面积和灌溉定额，全国可开垦的荒地潜力约5 亿亩，其中宜农荒地为2 5 亿 亩，主要分布在东北和西北内陆区。预计到2 0 3 0 年。迫于人口经济的需求，现 有的农田灌溉面积可增加1 5 亿亩，加上宜农荒地中适宜发展灌溉的面积，总的 农田灌溉面积可增加2 亿亩左右，达到9 5 亿亩。当灌溉面积一定时，农业用水 量则主要受灌溉水使用效率的影响。目前，我国灌溉定额普遍偏高，灌溉水浪费 现象严重，节水潜力很大。据试验和计算结果表明，我国农业节水在1 0 。1 6 之 间，全国平均节水率为2 8 。另外，由于目前中国灌区落后管理不善，致使输水 过程水量损失严重。因此，中国今后大面积节水的另一个措施就是减少输水损失， 据测定，通过渠道防渗可减少渗漏损失5 0 。9 0 。因此，大力发展节水灌溉技术 是当今中国乃至世界的重要课题。根据调查研究的结果表明，如果采用先进的节 水灌溉技术能够把灌溉水利用率提高到5 0 。6 0 ，每年可节水4 0 0 。8 0 0 亿立方米。 这将对缓解我国水资源供需矛盾具有很大作用【3 4 】。 喷灌泵作为喷灌系统的动力核心，是节水喷灌技术的关键设备，广泛应用于 各种农作物、经济作物、苗圃、菜园、草坪喷灌，也可用于城市绿化、防尘降温、 江苏大学硕士学位论文 建筑供水及渔业捕捞等方面。因此，很大程度上来说，节水灌溉系统中泵的种类、 性能、可靠性、适应性对节水灌溉技术的发展有很大的制约。它已发展成为具有 节约水资源、节省能耗和人力、增加农业生产和降低生产成本、保障农业稳定高 产的节水、节能、高效、增产的机械，是发展现代农业生产的关键设备【5 叫。但 是目前喷灌所用的自吸泵和灌溉输水所用的离心泵多数为2 0 世纪7 0 年代和8 0 年代发展的产品，这些产品存在着诸多不足之处，如泵的效率低；可靠性、工艺 性差；不能满足高效节能、可靠耐用、用途广泛的使用要求；甚至有相当数量的 产品达不到设计要求。这些问题影响了我国节水灌溉技术的进一步发展1 5 。8 1 。为 此，由国家科技部立项对喷灌和排灌技术进行研究开发。 本文主要是运用c f d 计算射流式自吸泵的全流场，分析影响泵效率的主要 因素。研究中分别用定常、非定常湍流数值模拟方法模拟了射流式自吸喷灌泵的 全流场，通过模拟结果预测泵的性能：最后通过试验结果检验数值模拟预测泵性 能的准确性，并综合分析定常、非定常两种方法预测泵性能的可靠性、经济性。 本文还通过对泵内气液两相流的模拟，分析自吸过程中叶轮内气液两相流流动规 律，为今后从气液两相流的角度研究自吸泵的自吸性能提供理论上的参考。将 c f d 作为研究泵内部流场和性能的辅助手段，可以节省大量的人力、物力，对 自吸泵的发展以及提高研究的经济性具有重要的意义。 1 2c f d 的研究进展 1 2 1概述 c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 数值模拟技术开始于2 0 世纪7 0 年代， 当时多采用二维无粘方程进行研究，计算结果精度较差。2 0 世纪8 0 年代开始求 解三维雷诺时均n a v i e r - s t o k e s 方程，但由于受到计算机计算速度和存储容量的 限制，大多是方法的探索性研究，应用研究较少。近年来，随着计算机技术的快 速发展，复杂流动问题的计算也迅速发展，c f d 越来越受重视。多种大型通用 的商业化计算软件相继问世，应用已从最初的航空扩展到包括离心泵在内的多个 领域。同时计算流体力学已从定性分析发展到定量的计算，正在逐步成为c a d 系统中的一个重要组成部分。通过这种“数值试验可以充分认识流动规律，方 2 江苏大学硕士学位论文 便地评价、选择多个设计方案，进行优化设计，并大幅减少实验室和测试等实体 试验研究工作量。在降低设计成本、缩短开发周期及提高自主开发能力等方面， 计算流体力学都可起到重要的作用。发达国家诸多大学、研究机构及大公司都已 开展了大量的研究工作并已有较多的应用实例，值得引起重视1 9 d 3 1 。 目前c f d 在计算方法、网格技术、物理模型等方面都取得了较大的进展。 在计算方法上追求三阶精度以上的高精度格式，其中又以紧致格式的研究最为突 出，紧致格式的理论研究已趋成熟，现在重点是实用化问题；计算方法研究还涉 及带限制器的高阶插值、谱方法、拉格朗日方法、时一空守恒元方法等。特别是 将基因算法与传统计算流体力学结合在一起，在域分裂和最优化设计等许多方面 显示了良好的应用前景。网格技术方面重点研究网格与流动特征的相容性、分块 网格以及混合网格技术。对于某些复杂流动问题，传统的网格无限加密技术可能 使计算结果失真，此时就要求构造与特征相适应的网格完成c f d 的计算任务。 分块网格主要用于处理复杂几何形状或并行计算。混合网格技术包括矩形网格和 非结构网格的混合使用。在物理模型上，除运用基本的e u l e r 和n s 方程外，对 一些复杂的流动问题，如湍流问题、两相流问题、化学非平衡问题、太阳风问题 等等，还需要补充相应的流动方程【悼1 6 1 。 1 2 。2 数值模拟方法发展的三个阶段 叶轮机械作为流体机械中一个重要的工程领域，不但为c f d 提供了一个广 阔的施展空间，同时也推动着c f d 不断向前发展。由于叶片的弯曲和高速旋转 的联合作用，叶轮内部流动比较复杂，呈湍流状态。随着实验研究的深入，离心 叶轮机械内部的数值模拟工作也开始逐步展开。并且随着计算机及流体力学的发 展，离心泵内部的数值模拟，已由无粘性发展到粘性，由二维、准三维到全三维。 其发展过程大致可以分成三个阶段【1 7 l ： ( 1 ) 无粘流数值模拟阶段 早期研究受计算机技术的制约，离心泵内流计算常简化为二维不可压势流。 奇点一面元法是该时期最早运用于离心泵叶轮内流计算的方法之一。1 9 5 2 年， 吴仲华教授提出了墨，s ：两类相对流面理论，对叶轮机械内部流动的数值模拟 产生了深远的影响，出现了准三维和全三维势流的无粘数值模拟【1 8 1 。采用s ，& 3 江苏大学硕士学位论丈 流面相互迭代的方法，人们还得到如流线曲率法【1 9 l 、准正交面法【刎等些新的 计算叶轮内部流动的数值方法。流线曲率法是采用积分任意准正交线上的速度梯 度方程，得出该准正交线上的速度，利用连续性方程校核各通道截面上的流量， 反复迭代直到满足给定的流量计算精度为止。该方法较为简单，要求的计算机内 存较小，但引入的假设较多，流线曲率的计算有一定任意性，使得计算精度下降。 准正交面法在求解叶轮机械无粘流场的方法中应用较广，它具有方法简明、步骤 清晰、计算速度快和占用内存少等优点，可用于计算三维无粘流场。至2 0 世纪 7 0 年代，无粘数值模拟已达到相当高的水平，并陆续应用于工业设计中。 ( 2 ) 准粘性流数值模拟阶段 2 0 世纪8 0 年代至9 0 年代，随着计算机技术的发展，为了综合考虑叶轮内流 的粘性、回流及旋涡对内流的影响，开始出现了更为复杂的数值计算方法，例如 势流一边界层的迭代法、射流一尾流模型、涡量一流函数法。势流一边界层迭代 法相对完全粘性数值模拟方法占用计算机内存较少，计算效率较高，对于叶轮机 械内部存在着旋涡、二次流、脱流和叶尖间隙损失的复杂流动是一种比较好的解 决方法。1 9 8 0 年，m o o r ej 和m o o r e j g 就是采用势流一边界层迭代法对e c k a r d t 的试验叶轮进行了数值模拟，但势流一边界层迭代法在端壁和间隙处不适用。由 于这些方法计算量较少，近期国内外仍有较为广泛的应用，尤其是势流一边界层 迭代法【2 1 彩】。 ( 3 ) 完全粘性流数值模拟阶段 2 0 世纪9 0 年代以后，大容量、高速度计算机的出现、矢量机的问世以及并 行计算技术的发展，极大地推动了计算流体力学的发展，叶轮机械内流数值模拟 进入了一个三维粘性数值模拟时期，通过直接求解r e y n a l d s 时均化的n a v i e r s t o k e s 方程组，结合湍流模型来计算叶轮内的三维粘性流动成为叶轮机械内部流 动数值模拟的主流。但由于没有显式的压力方程，在不可压缩流体流动的计算中 确定压力场成为了难题。为了解决这一问题，已发展了各种用原始变量作为求解 变量的数值方法。这些方法之间主要差别在于推求压力场的方法。目前已形成了 拟压缩性方法、分块隐式有限差分法、时间推进法和压力修j 下法等主要的数值方 法，其中以时间推进法和压力修正法应用最为广泛。 4 江苏大学硕士学位论文 1 3c f d 在离心泵内流研究中的应用 叶轮是水力机械中极为重要的过流部件，叶轮旋转且流道的几何形状是扭曲 的，因此其内部流动较为复杂。传统的叶轮设计方法基本上是无粘二元理论或无 粘三元理论，为了进一步提高叶轮的水力性能，就应当对叶轮内部的流动情况进 行深入研究。但由于叶轮的旋转以及其自身的几何形状等原因，观测叶轮内部流 动情况变得非常困难且往往要耗费大量的人力、物力。而随着计算机和c f d 的 发展，c f d 在泵内流研究中得到了广泛地运用和发展 2 4 - 2 5 1 。 对叶轮机械内流的计算，早在2 0 世纪4 0 年代末5 0 年代初，就有人采用数 值计算方法来预报离心压气机叶轮的无粘流动。但具有完备形态的内流数值模 拟，一般认为从吴仲华教授提出s 、s ：两类相对流面理论后，叶轮机械内流无 粘数值模拟才获得迅速发展。至2 0 世纪7 0 年代，无粘数值模拟已达到相当高的 水平，并陆续应用于工业设计中。2 0 世纪7 0 年代中期以后，考虑真实流体粘性 效应的数值模拟受到人们的重视。自2 0 世纪8 0 年代以来，离心泵叶轮内流的计 算有了较大的发展。t a n a b e 等用原始变量方法、有限元离散，数值计算了离心泵 叶轮内部三维湍流流动；e w a l ds t e c k 等采用速度一涡量方法，有限差分离散， 数值计算了离心泵叶轮内部三维层流流动；s h iq i n g p i n g 等和g o e d e 等1 2 6 - 2 7 1 先后 发表了离心泵叶轮内的二维、三维粘性流动的数值计算结果。戴江、吴玉林等 2 8 - 2 9 1 在离心泵叶轮内两相流动的数值模拟上作了可贵的探索。但是，应该指出，与燃 气轮机、压气机等叶片式流体机械相比较，由于离心泵叶轮内部粘性流动数值模 拟起步较晚，还正处在探索和发展之中。 值得本文一提的是c f d 在气液两相流泵的研究中也得到了广泛的应用。 f r u r y a 的一维不可压双流体模型、n i s h i y a m a 提出的二维不可压双流体模型以及 m i n e m u r a 和u c h i y a m a 等给出的单气泡流动模型的二维方法，在数值计算的气液 两相流泵性能预测方面具有很重要的意义。而m i n a t o 提出的忽略叶轮中含气率 和压力梯度变化的两相动量方程的解法以及f u j i e 提出的一种两相一维动量方程 的解法在模型的应用方面起n t 重要作用【如3 1 1 。另外，李清平等采用气泡轨迹模 型计算了气泡在离心叶轮和螺旋轴流式叶轮内的运动情况，吴玉林等利用双流体 k 一占湍流模型计算了气液两相流在叶轮内的流动情况f 3 2 - 3 3 】。 5 江苏大学硕士学位论文 1 4自吸泵的研究现状 1 4 1自吸泵的种类和工作原理 若吸入液面在叶轮之下，普通离心泵起动时应预先灌水，很不方便。为在泵 内存水，吸入管进口需装底阀，泵工作时，底阀会造成水力损失。所谓自吸泵， 就是在起动前不需灌水，经短时间运转，靠泵本身的作用，即可把水吸上来，投 入正常运转。 自吸泵按作用原理主要可分为以下几类： ( 1 ) 气液混合式 根据水和空气混合的部位不同，气液混合式自吸泵分为内混式和外混式。其 中气液分离室中的液体回流到叶轮进口处，空气和水在叶轮进口处混合的称为内 混式自吸泵。气液分离液室中的液体回流到泵叶轮出口处，空气和水在叶轮外缘 处混合的称为外混式自吸泵。 内混式自吸泵由双层泵体( 带气液分离室) 、s 型进水弯管、回流喷嘴、回 流阀、进口逆止阀等组成。泵起动后，泵体内的水通过回水流道射向叶轮进口， 在叶轮内进行充分的气液混合，而后经压水室扩散管出口排到气液分离室进行气 液分离。这样往复循环，直到把泵体及吸入管路内的气体排尽，泵正常工作。这 时，排气阀在水压作用下关闭，回流阀也在泵进口低压和气液分离室高压的压差 作用下自动关闭( 或人工关闭) 。 外混式自吸泵的气液分离室中的水回流至叶轮外缘处。整个结构和内混式类 似，也是由s 型进水弯管，双层泵体等构成。双层泵体的内体为蜗室，内外体形 成的空腔下部为储液室，上部为气液分离室。储液室下部有回流孔和蜗室相通。 泵蜗室扩散管，较普通离心泵的短，出口位于气液分离室的中部，也有的泵扩散 管直达泵上部出口，这种扩散管要在侧壁上开回水口，并在气液分离室顶部加装 排气阀。外混式自吸泵的自吸过程和内混式相似，所不同之处只是循环水经回流 孔进入叶轮外缘，再进行气液混合，不断循环，把泵及吸入管路内的气体排尽， 泵进入正常工作状态。 内混式和外混式自吸泵的结构示意图如图1 1 所示。 6 江苏大学硕士学位论丈 ( a ) 内混式( b ) 外混式 图1 1内、外混自吸泵的结构示意图 ( 2 ) 水环轮式 水环泵用于输送气体一液体混合物。这类泵可用于各个工业部门，用来过滤、 真空干燥、杀菌、气力运输等。它作为真空泵还可用在单级、多级消防泵或船用 泵中，使叶片泵中充满液体。水环泵有单腔式、双腔式等型式。 以下介绍单腔式水环泵的工作原理( 图1 2 ) 。圆柱泵体中装有叶轮，该叶轮 具有大直径的毂，并装在泵体的中心线上。将少量水灌入泵体并使泵投入运行( 图 1 2 中口和b ) ，叶轮将使水产生旋转运动并贴在泵体壁上，从而形成水环。如果 此时将叶轮偏心地置于泵体内，毂部将产生月牙形的空腔( 图1 2 中c ) ，并与叶 片一起组成一系列的工作腔。随着叶轮的旋转，这些工作腔的容积相继增大和缩 小。如果在紧贴泵体的侧壁上，在月牙形空腔的起点和终点，分别开上孔，这样 空气就能经第一个孔吸入腔内，然后因容积变小而压缩，最后经另一个孔排出。 水环与叶轮毂部、叶轮断面以及缸体侧壁的接触面将吸入腔与排出腔隔开。单腔 水环泵结构示意图如图1 3 所示。 双腔水环泵的结构示意图如图1 4 所示。它的泵体呈椭圆形，由两个半圆柱 体联结而成。叶轮对称地布置在泵体内。在叶轮旋转时，旋转的水环封闭两个月 牙型腔，结果叶轮每转一转，完成两个工作循环。双腔水环泵的吸入罩一直插进 叶轮中，所输送的介质就通过吸入罩的开孔吸入。通过垂直射入水环的自由面， 改善了吸入条件，同时也可降低吸入区的水力损失【3 5 3 6 1 。 7 江苏大学硕士学位论文 图1 2 水环泵工作原理图 1 一叶轮2 一圆柱泵体 图1 3 单腔水环泵示意图 l 一叶轮2 - 泵体 图1 4 双腔水环泵示意图 8 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 射流式 射流式白吸泵是由离心泵和射流泵( 喷射器) 组合而成的，包括液体射流和 气体射流。离心泵一般装在地面上，射流泵可以安装在井下、地面上或者泵体内。 其工作原理是一股有压流体经过射流泵喷嘴射出，在喷嘴处造成低压，从而将液 体吸入到离心泵的进口，然后经离心泵排出。这种装置适合小流量、中等扬程 ( 4 0 m ) 以下。可从深l o m 以上的井中抽水。泵的流量一扬程曲线很陡，流量一 功率曲线也很陡，因而不会出现过载问题。装置的效率高于普通射流泵的效率， 但是要低于一般离心泵的工作效率【3 7 3 8 1 。 1 4 2自吸泵的发展现状 目前我国自吸泵主要是蜗壳及导叶两种结构型式。从性能上讲，导叶结构自 吸性能较好，效率较高，但结构复杂。我国自吸泵的规格虽然不多，但在低比转 速自吸泵设计中，通过采取增大叶片出口安放角、增大叶片出口宽度、增大泵壳 各断面面积、适当减少叶片数、采用扭曲叶片及双层蜗壳的泵体结构等措施，制 造出一批性能较高的自吸泵，使我国在这方面首先进入世界的先进行列。从国外 看，国外比较注重于自吸泵的自吸时间和自吸高度。国外自吸泵多采用内、外混 蜗壳结构，以卧式为主，在结构中大多数没有采用关闭回流孔结构，气液分离室 较大，叶轮以半开式居多，进口大都装有拍门( 逆止阀) ，轴封采用机械密封【3 9 删。 从喷灌泵方面来看，我国目i j 广泛使用的轻小型移动式喷灌机组，大都是在 上世纪七、八十年代由国家统一组织联合设计的。其结构形式及性能参数主要基 于当时的生产力和动力机状况，主要存在着下述问题：( 1 ) 配套动力未考虑近年 来新研制的轻小型动力机，机组规格型号少，不能满足各地区经济发展的需求； ( 2 ) 工作压力高，其入机压力一般在4 0 0 - - - 5 0 0 k p a ，配置单个中高压喷头，能 耗高，组合喷洒均匀性差，喷洒水利用率低；( 3 ) 机组笨重，移动困难，价格高； ( 4 ) 一些机组改用低压喷头后，相互之间配套不合理，水泵工作在大流量点， 不但装置效率低，也很容易使配套动力机因长时间超负荷运行而造成损坏。从国 外来看，包括美国、欧洲各国在内的移动式农业喷灌设备，其喷灌机及其喷灌泵 均采用柴油机排气自吸和手动泵自吸两种方式，存在着劳动强度大，自吸时间长， 自吸性能差1 4 1 4 2 】。与上述相比，本课题研究的射流式自吸喷灌泵采用的是射流 自吸技术，不但自吸时间短，自吸性能稳定，而且在完成自吸过程后，能自动转 入正常运行，不需要人工操作。 9 江苏大学硕士学位论文 1 5 本课题研究的主要内容和意义 目前，国内外对自吸泵的研究已有相当长的历史，但已往的研究大部分停留 在经验和简单的外特性试验研究，耗费了大量的人力、物力，且由于自吸泵的结 构较为复杂，泵体内流场的相关理论欠缺，尤其是对自吸过程中内部复杂的气液 两相流流动规律的研究更少，这势必影响对泵自吸性能的研究。自吸泵的水力设 计也多数采用的是经验设计法结合已掌握的技术资料进行修正，但这种设计法难 以使自吸泵得到新的发展。为了减少研究耗费且能够全面的研究自吸泵的内部流 场，本文采用c f d 的方法，来研究射流式自吸喷灌泵。主要研究内容包括以下 几个方面： ( 1 ) 运用f l u e n t 软件提供的湍流计算模型计算了射流式自吸喷灌泵的全 流场。计算采用定常算法，分别模拟了射流式自吸喷灌在回流阀关闭、回流阀开 启和回流阀关闭但不考虑储液室和气液分离室三种情况下的流场，并通过模拟结 果计算三种情况下泵的效率，最后分析回流阀、储液室和气液分离室对泵效率的 影响。 ( 2 ) 运用非定常算法计算射流式自吸喷灌泵的全流场。计算时将定常计算 结果作为初始流场，采用滑移网格技术。计算时还采用不同时间步长分别模拟泵 的流场，并通过数据处理得到了泵性能的预测值，分析了时间步长对计算结果的 影响。 ( 3 ) 运用f l u e n t 软件提供的m i x t u r e 模型计算了泵内气液两相流流动， 分析了泵自吸过程中内部流场的压力、速度、气相的分布规律。 ( 4 ) 通过试验验证上述运用f l u e n t 软件预测射流式自吸喷灌泵性能的准 确性。并综合分析定常、非定常两种预测方法的可靠性和经济性。 本文给出了运用c f d 较准确地预测射流式自吸喷灌泵效率的方法，能为射 流式自吸喷灌泵的设计前期提供性能预测，减少研究中的耗费。计算的气液两相 流流动规律也将为从两相流的角度研究泵的自吸性能提供一定的参考依据。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章射流式自吸喷灌泵数值模拟方法及其解法 计算流体力学技术在离心泵的内部流动分析中有着极其重要的作用，本文也 是运用c f d 技术研究射流式自吸喷灌泵的性能。本章主要陈述三维湍流数值计 算所用的数值模拟方法、计算模型及其算法。 2 1三维湍流数值模拟方法 湍流流动是一种高度非线性的复杂流动，但人们已经能够通过某些数值方法 对湍流进行模拟，取得与实际比较吻合的结果。总体而言，目前的湍流数值模拟 方法可以分为直接数值模拟方法和非直接数值模拟方法。直接数值模拟方法就是 直接用瞬时的n a v i e r - s t o k e s 方程对湍流进行计算，该方法的最大好处是无需对 湍流流动作任何简化或近似，但对计算要求较高。而非直接数值模拟方法就是不 直接计算湍流的脉动特性，而是设法对湍流作某种程度的近似和简化处理。非直 接数值模拟方法分为大涡模拟、统计平均法和r e y n o l d s 平均法。本文的湍流流 动数值模拟采用的是非直接数值模拟方法中的r e y n o l d s 平均法，以下详细介绍 这种方法。 瞬时的n a v i e r - s t o k e s 方程可以用于描述湍流，但精确描写三维时间相关的 全部细节极其困难且对于解决实际问题没有太大意义。因此人们求解时均化的 n a v i e r - s t o k e s 方程，而将瞬态的脉动量通过某种模型在时均化的方程中体现出 来，这就得到了r e y n o l d s 平均法，这种方法避免了直接数值模拟方法计算量大 的问题。r e y n o l d s 平均法是目i j 使用最为广泛的湍流数值模拟方法。根据对 r e y n o l d s 应力作出的假定或处理方式不同，目前常用的湍流模型有两大类： r e y n o l d s 应力模型和涡粘模型。涡粘模型方法不直接处理r e y n o l d s 应力项，而 是引入湍动粘度，然后把湍流应力表示成湍动粘度的函数，整个计算的关键在于 确定这种湍动粘度。湍动粘度来源于b o u s s i n e s q 提出的涡粘假定，该假定建立了 r e y n o l d s 应力相对于平均速度梯度的关系，即： 一p u l u ，鸹( 考+ 等 _ ；b + 以詈p 式中，以为湍动粘度，h ；为时均速度，磊表示：当江时，磊= 1 ；当f 1 1 江苏大学硕士学位论文 是，磊= o 。k 为湍动能： 七：盟：三萨+ v 一 2 + 一w 2 ) ( 2 2 ) 22 、 7 涡粘模型包括零方程模型、一方程模型和两方程模型，目前两方程模型在工 程中使用最为广泛f 4 3 删。 2 2 计算模型 涡粘模型中最基本的两方程模型是标准k 一占模型，即分别引入关于湍动能七 和耗散率s 的方程。此外，还有改进的七一占模型，比较著名的是r n g k 一占模型 和r e a l i z a b l e k 一占模型。本文采用的是标准k t 7 模型，下面介绍标准k 一模型 的定义、计算公式及控制方程组【4 5 删： ( 1 ) 标准k 一模型的定义 标准k s 模型是由l a u n d e r 和s p a l d i n g 于1 9 7 2 年提出的，它是在湍动能七方 程的基础上引入一个湍动耗散率占的方程构成的两方程模型。湍动耗散率s 被定 义为： g = 氧飘割 3 ， 湍动粘度“可表示成七和譬的函数，即：以= l ，其中c 为经验常数。 在标准k s 模型中，k 和占是两个基本未知量，与之相对应的输运方程为： 掣+ 掣= 瓤+ 等矧崛崛一。 4 ， 挈+ 掣= 邻+