（流体机械及工程专业论文）基于cfd技术改善离心泵内部空化性能的研究.pdf

硕十学位论文 摘要 由于离心泵在实际运行的过程中，空化会降低泵的扬程和效率；空蚀将对离心泵造 成极大的破坏并产生噪音和振动。所以空化与空蚀破坏是引起离心泵故障的主要原因之 一，如何提高离心泵的空化性能是流体机械研究领域的一个重要的研究方向。 近年来，随着c f d 技术的快速发展，从研究离心泵内部流体流动的机理出发，使用 数值模拟研究离心泵内部空化流动，利用数值模拟预测的结果来指导改善离心泵内部的 空化性能已经成为可能。因此，数值模拟方法已经成为离心泵性能分析、优化设计的一 个重要的手段。 本文以c f d 技术为基础，应用商业软件f l u e n t 中的r n g 七一两方程模型和 s i m p l e c 算法，采用了s i n g h a l 等人发展的一种三维混合流体完整空化湍流模型，对离 心泵内部的全流道三维空化流动进行定常数值模拟研究，分析了在同一设计工况下原型 离心泵叶轮和3 种不同进口参数的叶轮在内部流场的压力、速度、空泡体积分数分布和 离心泵整机性能发生的变化，这对离心泵改善其空化性能、优化设计、节能降耗有着重 要的意义。得到以下主要结论： 1 为了验证数值模拟计算结果的准确性，先对原型离心泵进行了非空化流动和空 化流动的数值模拟，通过把数值模拟结果和试验结果相对比，结果表明预测曲线与试验 曲线趋势基本一致，预测值与试验值在设计工况下结果比较吻合，这为下面的工作打下 了基础。 2 对原型离心泵全流道内的空化流场进行模拟得到了空化现象主要发生在叶轮内 部，而在吸入段和蜗壳段均没有明显的空化现象发生，说明叶轮对泵的空化性能具有重 要的影响。从原型离心泵空化余量一扬程曲线中，发现试验值和数值模拟预测值计算结 果比较吻合，误差在5 范围内，曲线变化趋势基本一致，说明所选的空化模型能够准确 预测离心泵的空化性能，这也说明数值模拟预测可以代替复杂而又麻烦的离心泵空化试 验。 3 通过改变叶轮进口尺寸，得出叶轮进口直径有一最佳值为1 5 5 嗍，这最佳值的存在 对于离心泵的效率的提高和空化余量的降低有着重要的意义。 4 增加叶片的进口安放角，即采用较大的正冲角，使进口的冲角为5 。，叶片进口 安放角增加到2 4 。，离心泵空化性能得到明显改善。 5 对于高比转速离心泵，叶片进口边流道宽度的增加，空化性能改变不是很明显。 关键词：离心泵；c f d ：空化；数值模拟；叶轮进口参数 硕+ 学何论文 a b s t r a c t i i lt h ea c t u a lo p e r a t i n gp 眦e s so fac e n t r i f u g a lp u m p ，c a v i t a t i 彻w i l lf e d u c et h eh e a d 锄d e f f i d e n c y0 ft h ec e n t r i f u g a lp u m p ；c a v i t a t i o nc o r r o s i o nw i l ld o 留e a td a m a g e t ot h cp u m pa n d g e n e r a t et h en o i s e sa n dv i b r a t i o n s oc a v i t a t i o na n dc a v i t a t i o nc o i t 0 s i o ni s o n eo ft h em a i n r e a s o n st 0a r i s et h em a l f i l n c t i o n0 ft h ec e n t “f u g a lp u m p h o wt 0i m p r o v et h ec a v i t a t i o n p e r f b m a n c eo ft h ec e n t r i f u g a lp u m pi s as i g n i f i c a n tr e s e a r c ha s p e c ti nt h ef i e l do fn u i d m e c | h a n i s m i i lt h er e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec f dt e c h n o l o g ya n df 幻mt h e c e n t r i f u g a lp u m po nt h em e c h a n i s mo ft h ei n t e r n a lf l o w ，t h en u m e f i c a ls i m u l a t i o ni sa m e t h o d t or e s e a r c ht h ec a v i t a t i n gf l o wi n s i d et h ec e n t r i f u g a lp u m p ni sp o s s i b l et h a tt h er e s u l t sb yt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o np r e d i c t i n gi m p r o v et h ec a v i t a t i o np e r f b m a n c e so ft h ec e n t t i f i l g a lp u m p i n n e rf l o w t h e r e f o r e ，n u m e r i c a lm e t h o dh a sb e c o m eas i g n i f i c a i l tt o o l t op e r f b 砷a n c ea n a l y z e a n do p t i m a ld e s i g nc e n t r i f t l g a lp u m p b a s e do nt h ec f d t e c h n o l o g y ，u s i n gr n g七一t w oe q u a t i o n sm o d e la n ds i m p l e c a r i t h m e t i ci i lt h ec o m m e r c i a ls o f 咐a f ef l u e n ，r ，a3 dm i x t u r ef u nc a v i t a t i n gt u t b u l e n tn o w m o d e lb ys i n g l l a la n do t h e r si sd e v e l o p e df o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h es t e a d yc a v i t i t a t i n g t u r b u l e n tn o wi nt h ew h o l en o wp a s s a g eo fac e n t r i f i l g a lp u m p i nt h es a m ed e s i g nw o r l 【i n g c o n d i t i o n ，p r e s s u r e ，s p e e d ，d i s t r i b u t i o no ft h ec a v i t a t i o nv o l u m e 仃a c t i o n 柚dt h ec h a n g e s o f t h ew h o l ec e n t r i f u g a lp u m pp e r f o 咖a n c e so nt h ep r o t o t ) r p ed e s i 印o ft h ec e n t r i f u g a lp u m p i i n p e l l e ra n dt l l r e ei m p e l l e r so ft h ed i f f e r e n ti m p o np a m m e t e r si nt h ei n t e m a li 肌e fn o w a r c 锄a l y z e d ni sv e r ys i 印i f i c a n tt oi m p r o v e t h ec a v i t a t i o np e r f o m a n c e so ft h ec c m r 洳g a lp 哪p ， o p t i m a ld e s 咖a n d t os a v et h ee n e r g y 觚dc o s t n em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 f o rv e r i f y i n gt h ev e r a c i t yo f t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n a lr e s u l t s ，t h i sp a p e r p i c d i c t e dt h ep e i f o n n a n c e so ft h ep r o t o t y p ec e n t r i f t i g a lp u m pu n d e r t h en o n - c a v i t a t i o nf l o w 龃dt h ec a v i t a t i o nn o w c o m p a r e dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nd a t a sw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a s ， i tc a nc o n c l u d et h a tt h et e n d e n c yo ft h ep r e d i c t e dc i l r v e sb a s i c a l l ya g r e e sw e l lw i t ht h e e x p e r i m e n t a lc i l r v e s p r e d i c t i o nv a l u e sa r ci d e n t i c a lw i t ht oc x p e r i m e n t a lv a l u e su n d e r d e s i g n i n gw o r k i n g c o n d i l i o n 1 1 1 i sp m v i d e st h ef o u n d a t i o nf o rn e x t 、釉r k 2 d o i i l gs i m u l a t i o nf o rt h ec a v i t a t i o nn o wi nt h ew h o l ef l o wp a s s a g eo fc e n t r i f u g a l p u m p ，t h ec a v i t a t i o n sm a i n l yo c c u h c di n s i d et h ei i l l p e l l e r 卸di ti sw i t h o u t o b v i o u sc a v i t a t i o n h a p p e n si l lt h ei l l l e ta 1 1 dt h es p i f a l c a s es e c t i o n n ei l p e l l e ri si m p o r t a n ti n f l u e n c ct ot h e c a v i t a t i o n0 ft h ep u m p f l d mt h en p s h hc u r v eo ft h ep r o t o t y p ec e n t r i f u g a lp u m p ，i tw 勰 d i s c o v e r c dt h a tt h et e s t i n gv a l u e 柚dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i n gf b r e c a s tv a i u ew a sf i t t i n g t h e l i 基下c f d 技术改善离心泵内部守话性能的研究 e 盯0 ri si n5 r a n g ei n n e r t h ec u r v ec h a n g e 仃e n di s b a s i c a i l yc o n s i s t e n t t l l l es e l e c t e d c a v i t a t i o nm o d e lw 弱a c c l l r a t e l yf b r e c a s t i n gt h ec a v i t a t i o nf u n c t i o no ft h ec e n t r i f u g a lp u m p t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc 锄r e p l a c et h ec o m p l i c a t e d 卸di n c o n v e n i e n tc e n t r i f u g a lp u m p c a v i t a t i o ne x p e r i m e n t 3 b yc h a n 酉n gt h es i z eo ft h ei m p e l l e ri m p o n ，i tr c v e a l e dt h a tt h ei m p e l l e ri m p o n d i a m e t e r sh a v et h eb e s tv a l u e ，w h i c hi s1 5 5 m ma n di si m p o n a i l ts i g n i f i c a n c et 0i n c r e a s et h e c c n t r i f u g a lp u m pe 币c i e n c ya n d t or e d u c en p s h 4 t bi n c r e a s et h ei m p o na n g l eo ft h eb l a d e ，a d o p t i n gt h el a r g e rp l u si n c i d e n c ea n g l e ， i st h er e s u l tt h a tt h ec a v i t a t i o np e r f 0 加1 a n c eo ft h ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y t 1 l ei m p o n i n c i d e n c ea n g l ei s5 。a n dt h ei m p o r ta n g l eo ft h eb l a d ei s2 4 。 5 f 0 r t h eh i g l l s p e e dc e n t r i f u g a lp u m p ，t oi n c r e a s et h ei m p o nn o ww i d t ho ft h eb l a d ei s t h er e s u l tt h a tc a v i t a t i o np e 向瑚a n c ei m p r o v e du i l r e m a r k a b l e k e yw o r l d s ：c e n 埘f u g a ip u m p ；c a v i t a t i o n ；c f d ；n u m e c a ls i m u l a t i o n ；i m p e l l e ri m p o r t p a r a m e t e r i l i 硕十学位论文 插图索引 图2 1 空化现象1 0 图2 2 离心泵易空蚀的部位1 1 图2 3 叶片空蚀破坏的图片1 3 图2 4 离心泵安装示意图1 4 图2 5 增大叶片进口流道宽度6 j 1 7 图4 1 单个叶片的三维实体模型3 3 图4 2 多个叶片的三维实体模型3 3 图4 3 叶轮流道的三维实体模趔3 3 图4 4 蜗壳流道的三维实体模型3 3 图4 5 离心泵整个流道的三维实体模型3 4 图4 6 叶轮流道网格图3 7 图4 7 离心泵整个流道的网格图3 7 图5 1 效率与流量的关系曲线4 2 图5 2 扬程与流量的关系曲线4 2 图5 3 轴功率与流量的关系曲线4 3 图5 4 离心泵内部流道静压分布4 4 图5 5 离心泵内部流道空泡体积分数分布4 4 图5 6 叶轮前盖板静压分布4 4 图5 7 叶轮后盖板静压分布4 5 图5 8 叶片工作面静压分布4 5 图5 9 叶片背面静压分布4 5 图5 1 0 叶片压力沿径向分布4 5 图5 1 1 叶轮流道绝对速度分布4 6 图5 1 2 叶片绝对速度沿径向分布4 6 图5 1 3 叶片工作面绝对速度分布4 7 图5 1 4 叶片背面绝对速度分布4 7 图5 1 5 叶片进口处速度分布4 7 图5 1 6 叶片背面空泡体积分数分布4 8 图5 1 7 叶片工作面空泡体积分数分布4 8 图5 1 8 叶轮前盖板空泡体积分数分布4 9 图5 1 9 叶轮后盖板空泡体积分数分布4 9 图5 2 0 叶片工作面和背面液相体积分数分布5 0 图5 2 1 叶片工作面和背面空泡体积分数分布5 0 图5 2 2 空化余量一扬程曲线5 1 基丁c f d 技术改善离心泵内部空话件能的研究 图5 2 3 叶片背面静压分布5 2 图5 2 4 叶片背面空泡体积分数分布5 3 图5 2 5 三种叶轮进口直径参数下的静压分布5 4 图5 2 6 三种叶轮进口直径参数下的相对速度分布5 5 图5 2 7 叶片背面空泡体积分数分布曲线5 5 图5 2 8 三种叶轮的空化余量一扬程曲线5 6 图5 2 9 冲角对空化影响的示意图5 7 图5 3 0 两种叶轮进口角参数下的静压分布5 8 图5 3 1 两种叶轮进口角参数下的相对速度分布5 8 图5 3 2 叶片背面空泡体积分数分布曲线5 8 图5 3 3 两种叶轮的空化余量一扬程曲线5 9 图5 3 4 叶片进口处速度分布5 9 图5 3 5 两种叶片进口边流道宽度示意图6 0 图5 3 6 两种叶片进口流道宽度参数下的静压分布6 0 图5 3 7 两种叶片进口流道宽度参数下的相对速度分布6 1 图5 3 8 叶片背面空泡体积分数分布曲线6 1 图5 3 9 两种叶轮的空化余量一扬程曲线6 l v 硕十学位论文 附表索引 表4 1 离心泵设计参数3 1 表5 1 三种叶轮进口直径参数下的性能5 6 表5 2 两种叶轮进口进口角参数下的性能5 9 表5 3 两种叶片进口流道宽度参数下的性能6 2 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钓内容外，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：耐枫 日期：妒7 年多月夕日 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：埘年占具l b 嗍彳年石月一日 r 矿 姆z 惫钞 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 泵是把原动机的机械能转换为抽送液体能量的机器，在国民经济的各个部门 与同常生活中发挥着举足轻重的作用，广泛应用于航空、航天、能源、交通、运 输、石油化工及冶金等部门。离心泵是一种应用范围及其广泛的通用机械。据不 完全统计，泵在每年消耗电量占总发电量2 0 ，而离心泵在泵类产品中份额占到 7 0 以上比1 。当前，由于能源紧张问题的同益突出，深入开展离心泵内部流动机理 的研究，对于提高离心泵的效率，降低能耗，有着重大的意义。因此这就要求研 究离心泵内部流动规律时，必须应用新技术对其内部流场的细微结构和能量损失 发生机理进行深入的研究才可提高其水力性能，从而对于离心泵的空化与空蚀性 能、工作稳定性等提出了新的要求。 由空化现象导致的空蚀破坏对于泵在正常运行时的性能具有重要的影响。空 化的发生往往会影响泵内流体的正常流动、空蚀破坏、振动、噪声和泵的外特性 参数改变( 如流量、扬程、轴功率等) 等一系列问题，空化严重时甚至影响整个 系统无法正常运行。因此，离心泵内部空化流动的研究对它的安全、稳定、高效 运行具有重要的意义1 。 空化是离心泵性能和效率下降的主要原因。空化不仅影响流体的流动状态， 而且从长远看还可能引起离心泵过流部件的损坏、密封的永久失效和轴承磨损等， 以致泵寿命缩短、可靠性差；每年因空蚀损坏造成的部件维修、更换的费用高达 几十亿元h 3 。为了降低和防止空化与空蚀造成的破坏，对泵空化性能的研究和预测 具有重要的现实意义和巨大的社会经济效益。因此，如何提高离心泵的空化性能 是流体机械的一个重要研究方向，也一直是热门研究课题之一。另外，叶轮机械 的能量转换是在叶轮中完成的，因此了解液流在叶轮内部的流动机理，对研究高 效的叶轮机械及离心泵的节能降耗有着重要的意义。 本文以单级单吸离心泵为研究对象，应用商用c f d 软件，通过对离心泵内部 的空化流场数值模拟研究，分析了对在相同工况下采用不同的叶轮结构的同型离 心泵的性能和空化与空蚀性能的影响，以及整个叶片发生空化的区域和各区域发 生空蚀破坏的程度，从而为离心泵的抗空蚀性能和优化设计提供理论支持。因此， 本文基于c f d 技术对离心泵内部三维空化湍流流场进行了数值预测，通过计算结 果与现有的试验数据比较，来说明所采用的空化模型和数值方法应用在离心泵空 化性能计算的可行性和准确性。 基丁c f d 技术改善离心泵内部空化性能的研究 1 2 离心泵内部流动的研究进展 随着科学技术的发展，离心泵的应用范围不断扩大，不仅在城市给水、农田 灌溉、石油化工等地方应用，还在核能发电、舰船喷水推进、火箭发射等方面都 得到很重要的应用；同时离心泵抽送的介质不再是传统意义上水，而是向抽送油、 酸、碱类、低温液化气体、高温熔融金属等方向发展：同时用户对离心泵的技术要 求也越来越高，如高效率、无驼峰、无过载等：这就使得离心泵的设计研究人员 不仅要了解离心泵的水力特性，同时也要对其内部流动规律情况能够进行深入分 析和准确地预测。因此，在长期的工作与工程实践中，工程研究人员对离心泵做 了大量的研究工作，积累了许多极为丰富的、有价值的珍贵资料和数据。这些研 究工作主要包括三个方而：理论分析研究、实验研究和数值模拟研究，以下分别给 予介绍。 1 2 1 理论分析研究 理论分析是最早、最基本的研究方法，能够深刻地认识现象的本质规律，指 导产品的设计；也是试验研究和数值模拟分析的基础。著名数学家列奥那德欧 拉是第一位试图从理论上阐述叶片式水力机械( 水轮机和叶片泵) 中流动机理的 学者。他在一些假设条件下推得了著名的叶片泵欧拉方程，该方程一直是叶片泵 设计的理论基础。后来，为了简化叶片式机械中的三维空间流动，人们假设流体 在叶轮流道中的流动为流体微团沿着叶轮流道中心线的运动，进而建立了叶片式 机械的一元流动理论，即微元束理论。到目前为止，在大多数离心泵设计中，仍 是以一元流动理论为基础，但由于该种方法存在一定的局限性，容易引起误差； 以经验数据修正了的欧拉理论和一元理论仍然被看作是计算离心泵工程设计中的 主要方法之一嘲。 1 9 0 6 年，h 洛伦茨根据流体工作场的概念提出了叶片式机械二元流动理论。 二元流动理论认为，叶轮的轴面速度沿着过水断面是不均匀的，即轴面液流为二 元流动。比较一元流动理论，更为接近流体机械的真实流动状况，但二元流动理 论实际应用并不多。 上世纪五十年代我国著名科学家吴仲华教授提出的叶轮机械内部流动两类相 对流面理论，对提高叶轮机械的研究和设计水平具有划时代的意义，对叶轮机械 内三元流动理论和计算作出历史性的奠基工作。在具体实施过程中，两类流面的 解互相依赖，又互相祸合，因此计算结果与实际情况较为接近。但对于叶轮内粘 性流动而言，这种迭代过程既繁复而又冗长。因此，该理论主要应用于无粘性流 场的计算。沈天耀对离心叶轮内流的理论分析作了详细的论述】。朱祖超对于现有 离心泵在理论及设计应用中存在的问题，提出了基于三维流动分析的优化水力设 硕十学侍论文 计的计算方法利。 1 2 2 实验研究 离心泵内部流动复杂，叶轮又是离心泵的关键部件，负责能量的转换。理论 分析不可能考虑到各个因素的影响及其相互作用关系，从而实施研究成了叶轮机 械内部流动研究的另一种重要的方法而且是最可靠的方法，因此国内外学者为了 了解叶轮内部的真实流动状况、改进叶轮设计的方法以提高叶轮的性能和效率， 针对叶轮做了大量的基础实验研究工作。 2 0 世纪5 0 年代以前，由于旋转叶轮中的实验很难做，人们未能很好了解离心 泵叶轮内的真实流动情况，因而只能用一元理论进行设计，并用滑移修正系数来 考虑真实流体的粘性效应。随着科学技术的不断进步，人们对于离心泵提出了更 高的要求，仅凭一元流动理论已经远远不能满足工农业生产的需要，人们把离心 泵的设计、改进和优化都寄希望于对其内部流动现象的进一步认识上。早在1 9 6 0 年，d e a n 提出了一维“射流一尾流”模型理论阳1 。e c k a r d td 于1 9 7 5 年用激光测 量系统对叶轮外径速度达到3 0 0 m s 的低压比离心式压缩机叶轮后尾流区域进行了 详细的测量，验证了上述的射流一尾流流动理论聆1 。同年，h o w a r d 与k i l t m e r 分 别对一闭式叶轮及半开式叶轮的内部流场进行了测量，结果显示闭式叶轮与半开 式叶轮内部主流方向的速度分布基本相似，但在垂直于主流方向的截面上半开式 叶轮中由于叶顶间隙流潜入流道，导致截面上速度分布与闭式叶轮的截面速度分 布有很大不同n 叫。1 9 7 6 年根据e c k a r d td 实验：改进离心叶轮性能的最大前景在于 以通过对真实流动现象的物理本质上的认识而建立的设计过程，去取代现有的设 计方法n 。1 9 8 0 年，j o h n s o nm w 详细测量了叶轮从进口到出口5 个截面上的三 维速度分布及旋转滞止压力分布，试验结果表明具有较低旋转滞止压力的流体沿 叶片从轮盘向轮盖输运，还分析了叶轮中的二次流形成原因n 引。1 9 8 5 年，h a r a d a 分别对半开式叶轮与闭式叶轮的综合性能进行了测量研究，认为在小流量工况下 闭式叶轮具有较低的性能，而且闭式叶轮的稳定工况范围也比半开式叶轮的稳定 工况范围要窄n 引。1 9 8 9 年，心a i n 对叶轮进行了三维粘性流场分析，并和试验结 果进行对比分析n 劓。1 9 9 1 年，r o h n e 与b a n z h a t 利用l 2 f 测量了后弯半开式叶轮 出口的速度场，并将速度场与径向叶轮的叶轮出口速度场相比较，对经典“射流 一尾迹 理论进行了讨论n5 1 。a b r a m i a n n 6 1 和u b a l d i 【1 7 3 等分别利用激光多普勒测速 仪( l d v ) 对低速离心泵叶轮、半开式叶轮进行了详细测量，给出了叶轮内部流动 结构、速度分布、通流尾迹结构等，给叶轮机械数值预测提供了详细的试验数据。 p e d e r s e nn 等利用p i v ( p a n i c l ei m a g ev b l o c i m e t y ) 和l d v ( l a s e fd o p p o l e r v c l o c i m e t r y ) 测量了离心泵叶轮在设计工况及非设计上况下的流动情况，发现在 1 4 设计流量时，叶轮内部明显有二次流h 引。 基于c f d 技术改善离心泵内部空化性能的研究 而在国内起步比较晚，最近1 0 年多来才有有关离心泵内测量的报道。1 9 9 4 年，刘超用双焦激光流速仪对离心泵叶轮内力流场和叶轮出口附近的泵蜗壳的速 度场进行了测量，发现即使在设计工况下，整个叶轮各叶片间的流场也不对称， 叶轮出口处的液流角从叶片吸力面向叶片压力面增大，吸力面出现脱流n 引。1 9 9 6 年，李文广用l d v 测量了离心泵叶轮内部的紊流二维时均流场，讨论了相对速度 在叶轮内的变化规律心引。接着又利用二维激光测速系统准确地测量了大出口离心 泵输送清水时最优和小流量工况叶轮内部流动口。2 0 0 2 年，杨华等人将二维数字 式p i v 系统成功地应用于清水离心泵实验台，对一改型后的离心泵转轮内的瞬态 流场进行了成功测量，测量结果充分表明了离心泵转轮内部流场的瞬态结构和非 定常性心2 | 。后来，陈松山等人对三副短叶片不同偏置的低比转数复合叶轮离心泵， 应用粒子图像速度仪分别测试大流量、设计流量和小流量三种工况下长短叶片叶 轮同一叶槽内的瞬时流场，进而有效地揭示分留短叶片不同偏置时离心泵叶轮内 流场特征乜引。以上说明，国内学者在泵的试验研究方面做了不少有价值的工作，尤 其在测试技术和方法上，己基本赶上了国外步伐。但与国外相比，在研究内容的 深度与广度方面仍有明显的差距。 1 2 3 数值模拟研究 面对离心泵内部流动极端复杂理论分析很难反映实际的流动状态。而实验研 究不仅投资大、周期长、设备要求高等实际困难，而且实验的手段、数据的精度、 可靠性受测试仪器仪表、环境的制约、温度的高低等制约影响，对流体的整机分 析能力和细微流动结构变化分析有局限性。因此，必须借助新的研究手段一一数 值模拟方法来研究。数值模拟方法即计算流体动力学( c f d ) 是对流场的控制方程 用计算数学的算法将其离散到一系列网格节点上求其离散的数值解的一种方法， 以计算机为手段，通过计算和图形显示的方法对工程问题和物理问题进行分析。 依靠c f d 数值模拟，可以在宽广的流动范围内给出流场参数的定量计算结果，既 便于分析各种流动参数和流场的集合构造对流动规律的影响，又能快速的对设计 方案进行评估和优化，还可以指导后继的实验验证，避免盲目而造成的设计过程 反复工作，从而达到提高设计质量，缩短研制周期和降低研制成本，并且可以发 现许多新的流动现象。 随着数值模拟方法的研究引入和计算机技术的发展，使得离心泵内部流动的 数值模拟的发展不断提高，计算模型经历了从无粘性发展到粘性，由二维到三维， 从定常流动到非定常流动的发展过程心4 2 5 1 。 1 无粘性流动的计算 在2 0 世纪4 0 年代末以前，研究离心泵叶轮内部的流动计算方法被简化处理 为二维不可压势流计算方法，并且始终占据统治地位。奇点一面元法是该时期最 一4 一 硕十学位论文 早运用于离心泵叶轮内流动计算的方法之一。在1 9 5 2 年，吴仲华教授提出的s 1 、 s 2 两类相对流面理论，使叶轮机械内无粘性流数值模拟获得迅速发展，出现了准 三维和全三维势流的计算乜引。2 0 世纪7 0 年代以后，由于计算机的发展，使得吴仲 华教授提出的s 1 、s 2 两类相对流面理论和方法得以实现，可以用各种数值方法完 成计算，考虑真实流体粘性效应的数值模拟受到人们的重视，其中流线曲率法、 有限差分法和有限元法较为常用，但不能反映三维效应。8 0 年代研究的最多是用 欧拉方程的求解，常用的数值方法是有限元法、有限差分法和有限体积法，这种 解法可以完全描述流动的三维性及旋涡特性，但无法计算效率，可以在最优工况 附近得到叶轮内的速度和压力分布，并陆续应用于工业设计中。一些数值计算方 法如曲率法( 准正交线法) 乜列和准正交面法心引，也应用到叶轮内部流动计算中。 李文广应用奇点法对长短叶片离心泵叶轮内部流场及长、短叶片的相互干扰进行 了数值研究池引。 2 边界层一势流迭代法的计算 到8 0 年代初，由于无粘流模型在两个方面受到限制：一是无粘流模型没有考 虑粘性，无法计算效率；二是无粘流模型仅适合于轴流式离心泵。此时求解完全 粘性的三维流动费用仍很高。开始出现边界层一势流迭代法将粘性的影响考虑在 靠近壁面的边界层薄层内部，远离壁面的流动区域内粘性的影响则忽略不计。对 于那些叶片边界层很薄，粘性边界层和无粘主流间的相互影响较少的水力机械， 在主流区采用无粘流同边界层相互耦合的计算方法就显得既合理又实用。1 9 8 0 年， m o o r ej g 就采用上述方法对e c k a r d t 的试验叶轮进行了数值模拟们。我国学者吴 玉林叼2 1 等均系统地研究了边界层一主流耦合算法。但该算法不适用于边界层较 厚的流动。 3 三维粘性流动的计算 随着计算机和计算技术进一步发展，到9 0 年代初期采用n a v i e 卜s t o k e s 方程进 行数值计算己成为水力机械内部三维粘性流场分析的热点，为认识和掌握离心叶 轮内部复杂的三维真实流动开辟了新途径。全三维n a v j e r - s t o k e s 方程是湍流计算 的基础，共有三种方法： 直接模拟( d n s ) 。用非稳态的n a v i e 卜s t o k e s 方程对湍流进行直接计算。但要 对高度复杂的湍流运动进行模拟，目前计算机的水平还难于达到要求。 大涡模拟( l a r g ee d d ys i m u l a t i o m ) 。该法用非稳态的n a v i e r s t o k e s 方程来直 接模拟大尺度涡，但不直接计算小尺度涡，小涡对于大涡的影响通过近似的模型 来考虑。但这一方法仍需要大量的内存和更快的处理器。b y s k o vb k 口3 1 和吴玉林 教授钊、王文全d 钉等应用大涡模拟对离心叶轮内部流动进行了模拟。 雷诺( r e y n o l d s ) 时均方程法。该法将非稳态的n a v i e 卜s t o k e s 方程对时间作平 均，求解工程中感兴趣的时均量。但是要使方程组封闭，必须作出假设，即建立 基于c f d 技术改善离心泵内部空化性能的研究 模型。主要方法有：压力修止法、拟可压缩法，近似因子分解法和分块隐式有限差 分法。压力修止法是当前在离心叶轮机械方面湍流数值模拟中应用最为广泛，也 很成功的方法呤6 | 。通过直接求解雷诺时均方程，结合以湍流模型来计算叶轮内的 三维粘性流动成为了离心泵叶轮内部流动数值模拟的主流。 目前还没有普遍适用的湍流模型，当前在离心泵内部流动计算中所采用的湍 流模型主要有零方程模型、一方程模型和两方程模型。在已有的离心泵数值模拟 工作中，较多的选用了s l m p l e 算法或其改进形式来求解k e 双方程湍流模型。 4 非定常流动计算 在国外，c f d 技术应用于离心泵内流研究和性能预测工作进行得比较深入，已 经取得了较大进展。近年来，随着计算机技术的飞速发展，国外对离心泵内流的 模拟研究已经从原来的单叶道定常计算，发展到了整机定常流动计算和整机非定 常流动计算，尤其是整机非定常计算对流场和性能的预测取得了可喜的成果。对 叶轮机械的非定常流动可分为两类不同的流动问题，一类为固有的非定常问题， 这类非定常问题是由动、静叶片排间的相对运动而造成的非定常流动；另一类为 条件非定常问题，后者亦称为流动失稳，如压气机旋转失速、喘振等，是一种由 系统或局部扰动诱发的不稳定流动。a l e xg u e d e s 等利用n u m e c a ，c f x t a s c f l o w 对不同泵内的流动采用单叶道技术进行了非定常计算，表明非定常计算可以准确 捕捉泵内流动的非定常现象7 1 。j o s eg o n z a l e z 等利用f l u e n t 对一蜗壳泵分别进 行了二维和三维整机非定常流动数值计算，并将结果与试验所得到的性能、压力 脉动以及蜗壳盖侧的静压进行了详细的对比，证明整机非定常计算能够准确捕捉 蜗壳泵内的流动结构，并成功预测了性能口引。 而在国内起步比较晚，国内的邹正平，徐力平利用数值模拟手段对压气机内 部非定常流场进行了初步研究，在数值模拟中引进了双重时间步方法。研究和讨 论了物理时间步长及网格尺寸对计算结果的影响，给出了叶轮通道中非定常流动 的部分流动图画，并对非定常流场进行了初步的分析口引。耿少秋等人针对无短叶 片、有长短叶片和短叶片三种叶轮的离心泵，采用非定常方法数值分析了设计工 况点的整机全三维流场，讨论了不同叶片形式对水泵扬程、进出口压力波动及叶片 表面和中央回转面内参数分布的影响h 0 1 。 离心泵内部流动非定常数值模拟是一件非常困难的事情，特别是在多级环境 下的非定常数值模拟，其难点主要包括：( 1 ) 动叶叶片和静叶叶片的数目不等，为了 准确模拟非定常流动的特征，有时必须同时计算所有叶道中的流动，因而计算量很 大。( 2 ) 由于动叶和静叶处于不断的相对运动之中，在计算网络的划分上，要采用 多块网格，因而必须构造处理具有相对运动的不同网格块交界面的数值方法。 随着计算机和流体动力学的发展，商业c f d 软件必将成为分析离心泵内部流 场的有力工具。 硕士学位论文 1 3 空化空蚀的研究进展 1 。3 1 空化空蚀理论研究 空化空蚀的研究一直是国内外研究的热点，也是水力机械内部流动性能的研 究的焦点。在1 9 1 7 年r a y l e i g h 提出了空泡运动模型和在1 9 4 9 年p l e s s e t 建立的不 可压缩粘性流体的r e y l e i 曲p l e s s e 方程对空化现象发生时空泡破灭的研究空化运 动奠定了基础1 。7 0 年代，k n a p p ，d a i l y 等对空化和空蚀现象作了较为完整的研 究，主要包括以下几方面：水动力学空化现象的基本特性和物理力学；空蚀破坏； 过流通道和水力设备以及固定与自由物体上的空化影响h 。1 9 8 2 年，a r n d t 也就 旋涡空化、空化产生的噪音、超空化等问题作了专门研究，阐述和分析了一般水 力机械中的空化形式和水力特性h2 j 。在1 9 8 9 年到1 9 9 0 年间v 0 9 e l h 3 1 、b o n n i n g t o n h 4 1 等分别对空化产生的震动和噪音以及其对水力机械的影响作了研究。1 9 9 8 年， y 0 s h i h a r a 胡指出空穴内部速度远小于主流区内速度，空穴内部与主流区的交界面 上压力基本等于当时温度下的气化压力。此后，在2 0 0 2 年由s i n g h a l 等人发展的 完整空化模型和混合流体两相湍流模型考虑了空化流动中的相变、空泡动力学、 湍流压力脉动和流体中含有的不凝结性气体的影响h 引。 国内很多学者也对空化初生的影响因素、空化的发展状态、空蚀的形成等诸 多问题作了深入的研究。杨志明就初生空化与液体抗拉强度的关系、比尺效应等 作了研究，并指出在初生空化研究中，试件的尺寸、液体的空化敏感性和来流速 度等因素对于试件初生空化数有严重影响，因而进一步的提出了初生空化试验中 应注意的技术规范 。夏维洪分别就空化中的水质、含气量、比尺效应等一些问 题作了研究，指明：液体粘性的影响实际上是雷诺数的影响；粘性或雷诺数影响 边界层的分离，因而影响壁面上最小压力点的位置，即影