（流体机械及工程专业论文）基于环量分布的高比转速混流泵的设计、数值模拟及试验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 高比转速混流泵的主要过流部件是叶轮。叶轮是较为重要的转能装置，根据 不同环量分布的要求可设计出不同叶片形状的高比转速混流泵，本文中设计主要 采用了上凸环量分布、线性环量分布和下凸环量分布三种分布对叶轮进行设计。 水泵内部的压力分布是否合理( 压力梯度均匀) 、速度矢量是否流畅( 回流和 二次流1 、流线是否均匀和流畅、数值效率是否高等，一直是泵设计人员十分关 心的问题。随着计算机技术及计算流体力学等新学科的飞速发展，利用c f d 对混 流泵进行内部流场计算成为可能，并已成为重要的设计手段本文对高比转速混 流泵全三维内部流场进行数值模拟，进而了解泵内流动的速度分布、压力分布等 流动规律，并且为叶轮叶片设计提供参考。 本文将进口喇叭管、叶轮、导叶体和出口弯管四个过流部件进行耦合，采用 二元理论设计高比转速混流泵叶轮，共设计模型3 个，模拟其内部流场最设计工 况下的三维不可压缩湍流场，分析其内部流动，揭示其内部流动的主要现象、特 征，从而为高比转速混流泵的优化设计及性能改进提供依据，主要工作如下： 1 简要介绍了国内外高比转速混流泵研究现状，阐述了高比转速混流泵的 设计方法，并在此基础上，根据设计参数，对3 个模型泵( 上凸环量分布、线性 环量分布、下凸环量分布) 及与之对应的空间导叶进行设计； 2 运用p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 对设计的高比转速混流泵整体过流通道f 包括 进口喇叭管、叶轮流道、导叶体流道、出口弯管) 进行三维造型，造出3 个模型 泵实体； 3 简要介绍了大涡模型和数值模拟相关软件，并利用i c e m - c f d ，对高比转 速混流泵内部过流通道进行网格划分； 4 采用a n s y sc f x 中提供的k s 为湍流模型，利用有限体积法对雷诺平均 一s 方程进行数值离散，对三个模型泵的不同流量下的三维不可压缩、定常、 湍流场进行了数值模拟，得到了高比转速混流泵内部流场分布；并且对模型1 的三维不可压缩、非定常、湍流场进行大涡数值模拟，得到其非稳态运行时流场 分布； 5 介绍了扬程、轴功率、水力效率预测值的计算方法和公式，对三个模型 江苏大学硕士学位论文 外特性f h j 线进行性能预测，最后将模型1 性能预测曲线与试验得到的外特性曲线 进行比较。 通过以上工作，主要得到了以下结论： 1 c f d 方法方便、快捷，能较为准确的反映高比转速混流泵内部流场的分 布规律； 2 模型2 最高效率值较其它2 个模型高，模型1 的高效区范围在3 个模型 中最宽，而且模型1 的马鞍区较小，模型2 出现了较小的驼峰区，今后应对其模 型进行修改，以避免驼峰的出现。 3 通过非稳态场的分析，揭示了稳态场所不能揭示的高速旋转叶轮以及导 叶中各监测点与时间形成的周期变化和脉动现象。 关键词：高比转速混流泵，环量分布，数值计算，性能预测，外特性 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a i nf l o wp a s s a g ec o m p o n e n to fh i g hs p e c i f i cs p e e dm i x e df l o wp u m pi s i m p e l l e r i m p e l l e r i sa l li m p o r t a n tp a r tf o rt r a n s f o r m i n ge n e r g y a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n tf l o wp a t t e r n s ，h i g hs p e c i f i cs p e e dm i x e df l o wp u m pw i t h d i f f e r e n ti m p e l l e rf o r m sc a nb ed e s i g n e d i nt h i sp a p e lt h r e ek i n d so ff l o wp a t t e r n s m e t h o d sw e r ea d o p t e d ，w h i c hw e r et h e d i s t r i b u t i o n so fu pj o gc i r c u l a t i o n ，l i n e a r c i r c u l a t i o na n dt h ec o n v e xt ot h eb e l o wc i r c u l a t i o n w h e t h e rp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni n s i d et h ep u m pi sr e a s o n a b l e ( u n i f o r mp r e s s u r e g r a d i e n t ) ，a n dt h ev e l o c i t yv e c t o ri ss m o o t h ( r e f l u xa n ds e c o n d a r yf l o w ) ，a n df l o w l i n e i su n i f o r ma n ds m o o t h ，n u m e r i c a le f f i c i e n c yi sh i g h ，i ti st h ep u m pp r o b l e mt h e d e s i g n e rh a sa l w a y sb e e nv e r yc o n c e r n e da b o u t w i t ht h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss u c ha st h er a p i dd e v e l o p m e n t ，i ti sp o s s i b l et os i m u l a t e t h ei n t e r n a lf l o wf i e l do fm i x e d f l o wp u m pb yc f d ，a n dh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t d e s i g nt 0 0 1 i nt h i sp a p e r ，f u l lt h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o no fh i l g hs p e c i f i c s p e e dm i x e d f l o wp u m p i n t e r n a lf l o wf i e l dw a sd o n ea n dt h u st h ev e l o c i t yv e c t o r sa n d p r e s s u r ed i s t r i b u t i o np r o p e r t i e sw a sg o t ，a n di tp r o v i d e sa r e l i a b l eb a s i sf o rt h ed e s i g n o fi m p e l l e r f o u rf l o wp a s s a g ec o m p o n e n t so ff l a r et u b ei n l e t ，i m p e l l e r , g u i d ev a n eb o d ya n d e l b o wp i p ew e r ec o u p l e dt o g e t h e r a n db i n a r yt h e o r yw e r ea d o p t e dt od e s i g nt h e i m p e l l e r sa n dt h e r ew e r et h r e em o d e l sd e s i g n e d t h em a i nf l o wc h a r a c t e r i s t i c sw e r e o b t a i n e db ys i m u l a t i n gd i f f e r e n tf l o wp a t t e r n s ，a n da n a l y z e dt h ei n t e r i o rf l o wi ne a c h m o d e l ，a l lt h er e s u l t sa b o v ed i s c o v e r e di n t e r i o r f l o wf o rh i g h s p e c i f i cs p e e d m i x e d f l o wp u m pa n dp r o v i d e dt h eb a s i sf o rp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t t h em a i n w o r ko ft h i sp a p e ri n c l u d e s ： 1 ab f i e fd e s c r i p t i o no ft h em i x e d f l o wp u m pd e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d a n dt h ed e s i g n e dm e t h o d so fi tw e r eg i v e n b a s e do ni t ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n p a r a m e t e r s ，t h r e ep u m pm o d e l s ( u pj o gc i r c u l a t i o n ，l i n e a rc i r c u l a t i o na n d t h ec o n v e x t ot h eb e l o wc i r c u l a t i o n ) w e r ed e s i g n e d t h ec o r r e s p o n d i n gg u i d ev a n eb o d i e sw e r e 江苏大学硕士学位论文 d e s i g n e d ，t o o ； 2 t h ep r o e n g i n e e rs o f t w a r ew a sa p p l i e dt od e s i g nt h ew h o l ep u m p ( i n c l u d i n g f l a r et u b ei n l e t ，i m p e l l e r , g u i d ev a n eb o d ya n de l b o wp i p e ) t h r e em o d e l sw e r e d e s i g n e d ； 3 l a r g ee d d ym o d e la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e l a t e ds o f t w a r ew e r eb r i e f l y i n t r o d u c e d ，a n da n s y sc f xp r e t r e a t m e n ts o f t w a r ei c e m c f dw a su s e df o rm e s h i n g t h ew h o l ec a l c u l a t e dr e g i o n ； 4 k sm o d e lp r o v i d e db ya n s y sc f xw a sa d o p t e d , a n df i n i t ev o l u m em e t h o d w a su s e dt oe n c l o s et h en se q u a t i o n t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e3 - di n t e r i o r i n c o m p r e s s i b l e ，s t e a d y , t u r b u l e n tf l o wf i e l di nt h e3m i x e d - f l o wp u m p sw e r ec a r r i e do u ta t d i f f e r e n to p e r a t i o np o i n t s ，a n dt h ef l o wf i e l dd i s t r i b u t i o nw a so b t a i n e db ys i m u l a t i n g i n t e r n a l ；t h r e e - d i m e n s i o n a li n c o m p r e s s i b l eu n s t e a d yt u r b u l e n c ef l o wf i e l df o rt h e f i r s tm o d e lw a sd o n e ，a n dt h ef l o wf i e l dd i s t r i b u t i o nw a so b t a i n e d ； 5 t h eh e a d ，p o w e ra n dh y d r a u l i ce f f i c i e n c yp r e d i c t i o nc a l c u l a t i o nm e t h o da n d f o r m u l a t i o n sw e r ei n t r o d u c e d p e r f o r m a n c e so ft h r e em o d e l sw e r ep r e d i c t e d a tl a s t ，t h e p r e d i c t e dp e r f o r m a n c ec u r v eo fm o d e l 1w a sc o m p a r e dw i t ht h e e x p e r i m e n t a l p e r f o r m a n c ec u r v e b y t h ef o r m e rw o r k s ，t h em a i nc o n c l u s i o n sa r es h o w na sf o l l o w i n g ： 1 c f dm e t h o di sc o n v e n i e n ta n df a s t ，a n di tc a nd e s c r i b et h ef l o wf i e l do fh i g h s p e c i f i cs p e e dm i x e df l o wp u m pw e l l ； 2 h e a do fp o i n to fm a x i m u me f f i c i e n c ya n de f f e c t i v e n e s s ，硒w e l la se f f i c i e n t z o n ew i d t ho fh i g l ls p e c i f i cs p e e dm i x e d - f l o wp u m po ft h ed i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n t c i r c u l a t i o nh a v et h e i ro w nc h a r a c t e r i s t i c s ，s ot h a ta c c o r d i n gt od i f f e r e n tn e e d s ， d e s i g n e r su s e d i f f e r e n tk i n d so fc i r c u l a t i o nd i s t r i b u t i o nt od e s i g nt h ep u m p ； 3 t h eu n s t e a d yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e v e a l e dt h a tt h e r ei sa p p a r e n tr o t o r - s t a t o r i n t e r a c t i o nw h i c hs h o w e dp e r i o d i cr u l eb e t w e e nt h ei m p e l l e ra n dg u i d ev a n eb o d y k e yw o r d s ：l l i g hs p e c i f i cs p e e dm i x e df l o wp u m p ，c i r c u l a t i o nd i s t r i b u t i o n , n u m e r i c a l c a l c u l a t i o n ，p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n ，o v e r a l lp e r f o r m a n c e 江苏大学硕士学位论文 g ：重力加速度，m s 2 p ：密度，k g m 3 q ：流量，m a h h ：扬程，m 万：转速，r r a i n 吃：比转速 p ：功率，k w r e ：雷诺数 风：静压，p a a ：总压，p a u ，：壁面摩擦系数 ，：绝对速度，m s 跖：圆周速度( 牵连速度) ，m s w ：相对速度，n t i s 国：角速度，r a d s z ：动力粘度，p a s y ：运动粘度，m 2 s 。1 b ：宽度，m m 符号表 v d ：直径，i n i n 秒：叶片包角，度 口：液流角，度 ：( 导) 叶片安放角，度 万：叶片厚度，i i l i i l 咖：通用应变量 t ：周期，s q 0 ：设计流量，m 3 s 仇：水力效率 仇：容积效率 ：机械效率 i n ：进口 o u t ：出口 r ：径向分量 u ：圆周分量 m ：平均值 m a x ：最大值 r a i n ：最小值 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，均已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： 日期：d 9 年fz 月e t 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 学位论文作者签名：暑6 憧 指导教师签名： 年17 , j 弓协日。c 年卜月伊e t 江苏大学硕士学位论文 1 1概述 第一章绪论 混流泵利用叶轮旋转产生的离心力和推力联合作用来输送液体，斜向出流， 又称斜流泵，是一种比转速较高的泵型，在性能和结构方面，介于离心泵和轴流 泵之间，兼有离心泵和轴流泵优点，吸取了离心式和轴流式两方面理论设计原理 之优点，是一种较为理想的泵型。 主要用于农田灌溉、防涝排洪、水利工程、污水处理、电站( 燃煤电站、核 电站、蓄能电站、潮汐电站) 、冷却系统、市政和船坞等部门的供排水，在核电、 舰船的喷水推进方面也得到了重要应用，并为南水北调等工程做出一定的贡献。 混流泵是国际泵行业的技术开发重点之一，它将部分代替离心泵和轴流泵工 作。但是，与离心泵、轴流泵相比，混流泵的开发、生产和应用，还有相当大的 差距，虽然已做了一定的工作，但仍然缺乏系列的水力模型，特别是缺乏抗汽蚀 性能好、结构先进、运行平稳的高比转速混流泵的模型随着南水北调工程的开 工 1 1 ，加速丌发和研制高比转速混流泵的水力模型势在必行。 1 2 混流泵分类 1 2 1叶片是否可调，转子是否可抽和出水管的布置 可以分为下列六种结构形式。 叶片固定，转子可抽式( 即抽芯式) ； 叶片固定，转子不可抽式( 即非抽芯式) ； 叶片固定，转子不可抽，出水管布置在泵基础下； 叶片固定，转子可抽，出水管布置在泵基础上； 叶片可调，转子可抽，出水管布置在泵基础下； 叶片可调，转子可抽，出水管布置在泵基础上： 抽芯式结构，其抽芯体包括叶轮室，导叶，叶轮，导轴承，泵轴，中间连接 器和护套管等部件。这种结构的泵可以从泵体中整体抽出，不必拆卸外筒体和连 接管路就可以将抽芯整体拆下，对检修工作极为有利。同时改善了检修环境，适 江苏大学硕士学位论文 合于大型泵站；非抽芯式结构泵，检修时，必须将包括泵外壳在内的全部部件吊 出，适合于小型泵。抽芯式结构的效率略高于非抽芯式结构。从泵站造价来看， 抽芯式结构更便宜。 叶片调节结构是泵结构先进程度的重要标志。对于中小型，采用半调节式； 对于一些调节机会不多且调节时短暂停泵也不影响的泵站，可采用停机全调节 式；对于需要连续运行不能停机或者需要降低启动力矩和需要自动操作的泵站， 可采用不停机全调式结构，有液压调节和电动机械调节机构。可调叶片式，采用 调节叶片安放角，在低流量区，也可保持很高效率，控制振动和气蚀的发生，达 到稳定运行。 1 2 2 安装方式 可分为立式和卧式混流泵。 立式斜流泵是工业发达国家最先推出的一种新型工业大泵，它的主要特点是 驱动电机直接安装在水泵上，称为法兰式安装。该方式不用浇灌安装电机的水泥 基础，而水泵本身所占厂房面积极小，当电机设计成户外用气候防护型时，甚至 根本不用厂房，这样可以节省用户的基建投资，在需要工业大泵的农工业生产部 门，只要扬程、流量比较适合，它总是被优先考虑1 2 1 。 1 2 3 压水室形式 包括蜗壳式和导叶式混流泵。 蜗壳式的结构接近于离心泵，与离心泵相比，其泵体较大，其结构与单级单 吸悬臂泵很相近。导叶式与轴流泵相近| 3 1 。 1 3 混流泵国内外研究现状 国内研制的混流泵中：蜗壳式混流泵的扬程为5 1 2 m ，流量为 9 0 0 。4 0 0 0 m 3 h ，转速为1 0 0 1 4 5 0 r m i n ；导叶式混流泵的扬程为3 2 5 7 m ， 流量为4 5 。2 0 1 6 0 m 3 h ，转速为1 0 0 。1 4 5 0 r m i n 。效率最高达到8 8 2 8 ，而在 日本、苏联、澳大利亚等国，混流泵的最高效率达到或超过9 0 。 目前国内外关于混流泵的研究主要从以下几个方面进行： 2 江苏大学硕士学位论文 1 3 1混流泵设计理论和设计方法方面 山东省农机研究所的李国才【4 】设计了7 0 0 h w 1 1 型蜗壳式混流泵，采用叶片 分段抽片法，保证了叶型和过流部分的表面粗糙度，获得了良好的水力性能；曹 树良等【5 】，基于二元理论，用f o r t r a n 语言编程实现了高比转速混流泵叶轮的 水力设计，采用s 型环量分布函数( 虚线) 时，叶片包角将减小，同时叶片轴面投 影形状变宽，该方法有效地提高了设计效率；蔡佑林等1 6 1 介绍了一种混流泵叶轮 叶片准三元设计法。以环量c u r 为控制变量，通过正反问题迭代计算从而构造出 叶片，力求使叶轮叶片形状与叶轮内实际流态相吻合，进而得到性能优良的混 流泵；卢金铃等【7 】建立了一种基于三维粘性流动分析的扭曲叶片优化设计方法， 以环量c u r 为设计变量间接地对叶片几何形状进行参数化，使得设计变量个数较 少，利用神经网络来预测评价函数大大缩短了计算时间。 何希杰【8 】推导了混流泵叶片型线方程，提出了水力设计方法，列举混流泵水 力设计和绘型实例，对混流泵叶片的研究与设计具有实际意义；钱涵欣等提出了 9 1 对s 1 流面流动进行正问题计算，确定滑移系数p ，并与一元法迭代计算的新设 计方法。此法能更好地符合设计参数的要求，并且也可用于离心泵叶轮、轴流泵 叶轮和导叶的水力设计；王红志0 0 1 在对优秀水力模型统计的基础上，利用一元 流动理论的基本思想，按照离心泵叶轮的设计思路，对设计过程中重要参数的选 取进行了修正，提出了一种实用的混流泵设计方法；张新于n 妇1 9 8 0 年提出了混流 泵叶片理论一叶片直径尺寸、安放角和排挤角叶片设计三要素的新思想；张克危 n 2 1 1 3 孔n 们等人亦于9 0 年代中期对混流泵几何参数及过流道、叶片形状的优化进 行了分析和研究。 1 3 2 数值模拟应用于混流式叶轮机械方面 国内外各种数值模拟方法很多，其中有大涡湍流模型，k 一占方程湍流模型， 体积分数湍流模型，代数应力湍流模型等等，其它的方法也层出不穷：准三维法， 三维势流法，三维欧拉法，全三维粘性流法等。 近几年来，随着计算机技术的高速发展，数值模拟广泛的应用于混流式叶轮 3 江苏大学硕士学位论文 机械内部流场的预测。黄剑峰、张立翔p s i 等基于三维时均_ o 方程和r n g k 一占 双方程湍流模型，捕捉了水轮机各过流部件内复杂湍流场分布；郑莹，刘小兵 等p 6 1 ，以书方程为控制方程，采用s p a f l a r t a l l m a r a s 湍流模型和结构化网格， 对蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮及尾水管等过流部件进行了全过流部件的三 维数值模拟；周文斌，敏政，张玉良 1 7 1 利用数值模拟的方法对改型前与改型后的 蜗壳进行数值模拟，提高了蜗壳的水力性能：杨昌明，许丽丽等【1 8 l 针对h l 2 4 0 型 混流式水轮机转轮在设计工况下的三维非定常流动现象，对活动导叶、转轮及尾 水管整体流场进行了数值模拟；张海库等i t 9 1 将混流式水轮机全流道作为一个整 体，对混流式水轮机内部流动进行了三维定常湍流计算，得到了水轮机各过流部 件内的流动特性，对水轮机的水力优化设计具有重要意义；齐学义、杨建明等啪1 使用k 一占模型计算了混流式转轮三维的湍流流动；吴冶将、赵万勇乜对混流泵 内部流场的数值模拟，为混流泵的性能与改进提供了确实的物理信息；杨敏官、 贾卫东等乜2 1 在对混流式输卤泵内部湍流场进行研究时，以清水为介质对混流式叶 轮内部的三维湍流场进行了模拟。 瑞士学者f e l i x a m u g g l i 等【2 3 l 刚研究了导叶式离心泵内非定常流场，发现 了导叶体流道内缘面附近的流动分离和叶轮与导叶问环形空间内的压力脉动；日 本学者t a k e s h is a n o 等i 矧计算了小流量低比转速导叶式离心泵内部流场，发现了 导叶流道内的旋转失速、叶轮与导叶体的交替失速( a l t e r n a t eb l a d es t a l l ) 和不均匀 失速( a s y m m e t r i cs t a l l ) 等现象；日本学者f s i l i 等【2 6 1 对导叶式离心泵的非定常、 不可压缩、湍流场进行了数值模拟计算，通过布置监测点，获得了导叶流道内详 细的随时间变化的速度分布及压力分布等；k u r o k a w aj 【2 7 1 利用三维数值解法对离 心泵外特性进行了预测。 1 4 高比转速混流泵的国内外发展现状 1 国内高比转速混流泵的研究现状 目前国内关于高比转速混流泵的研究仍处于发展阶段：江苏大学流体中心研 究的混流泵模型比转速高达8 0 0 ，首次将进口喇叭管、叶轮、导叶体和出水弯管 4 江苏大学硕士学位论文 四个过流部件耦合起来作为一个整体对其进行三维不可压缩湍流场数值模拟，研 究其内部流动现象的物理本质，为高比转速混流泵的优化设计及性能改进提供理 论依据：云南工业大学的钱晓等汹l 陋l 对混流泵效率特性的预测与实测性能的 比较中，所提出的方法简单实用，可以用来预测泵的性能以及修改设计；清华大 学曹树良教授口订“3 2 3 对高比转速混流泵进行研发，泵的最高效率达8 8 2 8 ，比转 速范围为4 5 4 - - - - 5 6 0 ；之后他又基于二元设计理论，对高比转速混流泵叶片正反 问题进行计算，通过对不同参数设计出的两个叶轮进行模拟，并计算得到的流场 压力分布和轴面速度进行比较得出结论；华中理工大学吴建廉教授口3 1 对可调叶片 式混流泵主要设计要素的确定，所设计的高比转速混流泵模型为比转速6 1 0 系 列；南水北调工程项目低扬程课题组研制的比转速为6 2 0 系列的高比转速混流泵 模型，为高比转速混流泵的设计提供了重要的方法和理论依据。 2 国外高比转速混流泵的研究现状 国外高比转速混流泵的研究现状：瑞士学者f e l i xa m u g g l ip e t e rh o l b e i n 和 p h i l i p p ed u p o n t 口们利用c f d 计算预测了混流泵在关死点情况下的性质；西班牙学 者f e r n a n d e z 、英国学者s a n t o l a r i a 口5 1 采用滑动网格对混流泵叶轮进行耦合模拟了 高比转速混流泵内部流场；荷兰学者b e m v a ne s c h 和n p k r u y t 啪1 通过稳念和非 稳态的模拟得到混流泵的水力性能。 日本学者口刀对于高比转速混流泵研究的情况较多，技术也较为成熟：日本学 者丰仓富太郎和太田秀之以比转速栉。 4 3 4 的混流泵为研究对象，采用新开发的 设计方法解决实际设计计算中遇到问题，同时采用这种方法设计了高比转速 咒。= 7 6 8 和超高比转速厅。= 1 1 1 0 的混流泵，并对高比转速混流泵的水力性能、设 计方法进行讨论；正司秀信等人对低流量时( 设计流量的4 0 情况下) 水槽底面和 出口管口的间隔大小等因素对高比转速水力性能的影响，并研究了造成安装在底 部的旋转停止的影响因素；张春晚，古川雅人，井上雅弘等人对高比转速混流泵 叶片尖端的三维流型进行分析，用r a n s 模型模拟高比转速混流泵内部流动； 楼井高于，齐藤淳夫，后藤彰等人采用逆解法对高比转速混流泵进行设计，并采 用油膜法将其内部流场进行可视化；前田英昭、宫部正洋对设计点吸入比转速为 1 9 0 0 的高比转速混流泵采用流线曲率化法翼型选定理论进行设计，并采用c f d 数值模拟对该高比转速混流泵进行检验；日本樱井等人以高比转速( 疗。- - 6 3 7 ) 混 5 江苏大学硕士学位论文 流泵为研究对象，将采用反问题解法设计的叶轮与传统方法设计的叶轮内部流动 进行对比，研究了设计方法的不同对混流泵性能的影响。 1 5 本文研究的主要内容、目的、意义及所需解决的问题 1 5 1 研究的主要内容 目前，国内还没有成熟的针对高比转速混流泵的水力设计方法，论文基于 c f d 技术，在现有高比转速混流泵理论和研究的基础上，并基于环量分布设计 三种高比转速混流泵模型。 本课题研究的主要内容： ( 1 ) 在对有关高比转速混流泵理论现有 文献的基础上进行研究，设计出三种高比转 速混流泵模型： ( 2 ) 应用造型软件p r o e n g i n e e r 对设计的 高比转速混流泵整体进行三维造型； ( 3 ) 简要介绍了大涡模型和数值模拟相 关软件，并利用i c e m c f d 网格划分软件， 对高比转速混流泵内部过流通道进行网格 划分； ( 4 ) 采用c f x 中提供的标准k s 为湍流 模型，利用有限控制体积法对雷诺平均一s 方程进行数值离散，对三个模型泵 的不同流量下的三维不可压缩、定常、湍流场进行了数值模拟，得到了高比转速 混流泵内部较为基本的流场分布；并且对模型1 的三维不可压缩、非定常、湍流 场进行大涡数值模拟，得到其非稳态运行时流场分布； ( 5 ) 介绍了扬程、轴功率、水力效率预测值的计算方法和公式，对三个模型 外特性曲线进行性能预测，最后将模型1 进行外特性研究。 1 5 2 研究的目的、意义、所需解决问题 由于其设计理论不成熟，对环量分布的最优形式暂无定论，同时环量分布影 响着叶片载荷，叶轮的能量传递以及空化特性，所以环量分布的选取，对叶轮设 计至关重要。基于这种情况，本课题展开对几种不同的环量分布进行叶轮设计， 6 江苏大学硕士学位论文 并进行实验分析验证，以期能对高比转速混流泵的设计方法、改进、优化提供理 论依据和参考。 高比转速混流泵的设计除了满足流量、扬程的基本要求外，最重要是效率的 好坏，它关系到能源的消耗，也影响生产成本的高低与产品的竞争力。因此，提 高泵的技术水平对节约能源、创建节约型社会有这十分重要的意义啪1 。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章高比转速混流泵环量分布规律 2 1 环量分布简介 2 1 1 坐标系建立 描述叶轮内流体流动的坐标，采用了两种 坐标系，即正交曲线坐标系( m ，n ，d 和圆柱坐标 系( ，乡，z ) ，见图2 1 所示。 r 8 江苏大学硕士学位论文 系数，还可以求出汽蚀余量和汽蚀比转速。因此，环量c n r 决定了叶片的载荷 分布及叶轮的内流场，也决定了叶片骨面形状和泵的性能。 一 成 。、 p 7 妖 气 j 厂 。遗 z 图2 2 儿何参数图 2 1 3 环量分布的形式 如何给定c ，分布形式，使设计出的叶轮具有良好的汽蚀和水力性能。一般 说来，满足能量转换的进口到出e 1 的q 厂可以有许多种变化规律，尽管q ，- 分布 规律有无穷多种，但其基本类型不外乎如图2 3 所示9 种1 3 9 1 。 c u r 图2 3 九种类型的乞，关于朋分布 在这无穷多种分布规律中，必然存在一些最合适的c l 。厂分布，使得叶轮内的 二次流和损失最小，汽蚀余量也很小。但何种分布最优，需要经过试验大量的模 型泵才能找到。目前的情况下，由于多方面的限制，很难找到最优的分布规律， 但通过一些约束条件，可以从理论分析上得到较好的c i 。r 分布。 在叶轮叶片进口边，要求来流满足无冲击条件。在出口边，根据库塔条件， q r 沿流线的梯度为0 。由于叶片上的载荷分布与e ，的梯度a c u ，密切相关，尤 9 江苏大学硕士学位论文 其沿流线方向的梯度最为重要。可以说，叶片载荷分布与巴厂成i f 比。为使叶 片载荷分布均匀，相应地沿流线m ，e ，变化应该均匀；而沿n 方向，理论上， o c j c g n 该为0 或者很小，否则会引起较强的二次流损失。由式( 2 4 ) 还可以看 出，控制e ，分布可以控制叶片包角的变化，避免囚包角分布不合理而导致的叶 片过分扭曲和绘型困难。 2 2 环量c u r 的给定方法 环量给定方法很多，下面对几种常用的子午流面上环量e r 的给定方法进行 介绍，以便确定子午流面上叶片涡的分布规律，进而运用该分布规律对叶轮进 行设计。 2 2 1 用指数规律确定 环量e ，沿子午线m 的分布， 可采用幂指数确定删。 ，“q = a( 2 - 5 ) 式中 口一幂指数。 a 一常数系数，由叶轮出口条件根据出口滑移因子确定，即 a = 乞g 2 = 眨巴2 。 式中c “：。一叶片无限多时出口处绝对速度的周向分量。 出口滑移因子，= 暑生该值由经验公式确定。 l “2 定解条件是叶片缘处，叶片载荷为零， 即型蠹竽l 而d = 。 整个子午面上环量的确定首先根据上述方法确定轮盘和轮盖上的环量分布， 然后通过线性插值的方法可确定整个子午面上的环量分布。 2 2 2 用分段函数确定 第一步：将轮盘、轮盖处流线分为3 部分。第一部分为后缘至b 点，用以满 江苏大学硕士学位论文 足出口处塑兰= o 条件，礁处给定( 塑兰) 一；第二部分为脯至彳点，该区 域满足塑丝尘按某一给定斜率变化的规律：第三部分为彳点至前缘处，用以满 d m 足入口坐掣：o 条件。这样，通过控制a 、b 点位置， ( 亟兰尘) 一值及亟孕 在a 、b 点区间的斜率变化规律，就可以得到沿轮盘、轮盖不同的c l 。r 分布。 第二步：整个子午面上环量的确定，有两种方法确定整个子午面上e ，的分布。 方法1 ：由于在子午面的每一边界处都有两个由液动力学条件决定的边界条件存在， 那么就需要一个四阶偏微分方程才能求得乞厂在整个子午流面上的分布4 1 1 。方法2 ： 可以通过线性插值的方法确定整个子午面上g r 的分布。 前缘 后缘 b 盘 图2 4 轮盘、轮盖分区示意图 2 2 3 用经验公式确定 整个子午面上的q r 分布可采用如下公式确定 4 2 1 ： r c 。( r ，z ) = q ( r ) ( a ( r ) s i n 2 7 + 2 c o s 2 f 1 ) e 一4 7 + 乞( r ) 拿：一心( r ) e - a ( r ) , qs i n2 傩 式中c 3 ( r ) = c 1 ( r ) 2 ( r ) + 4 ) ，s = 厂 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) a ( r ) 从轮盘到轮盖线性变化。常数c 1 和c 2 由入口和出口g ，的初始条件确 江苏大学硕士学位论文 定。另外在叶轮的入口边和出口边还应满足如下库塔条件： e ，= 0( 2 8 ) 并且在轮盘、轮盖处e ，- 分布需要满足液动力学条件， 即 掣：0 ( 2 - 9 ) 0 2 2 4 反对称二次抛物线旋绕分布 为了便于分析和使用，引进术语载荷因子。载荷因子定义为 孝：墼垒：塑，k ：立矗掣( 图2 5 ) 。为叶片载荷适合叶道中不同区域的流 。t g a k 7 ( s 2 一墨) 一一。一。 动状况，可采用最小扩压度载荷分布，它是一种以中点为反对称的两段抛物线 载荷分布【4 3 1 。 rjr 00 50 1 00 1 j 0 2 00 2 503 003 504 004 50 5 0 2 2 5 用多项式规律确定 图2 5 载荷因子 对于c 4 , = 0 的二元理论，由于沿同一轴面截线上环量等于常数，只需给定任 一轴面流线上的环量分布规律即可。定义叶片进出口的环量差值为 e ，) 2g z 乞一e - ，i2 瓦g h ( 2 - 1 0 ) 式中h 一泵的扬程 仇一泵的水力效率 姒加即知加加m 江苏大学硕士学位论文 即 g 一重力加速度 则环量沿轴面流线的变化规律可描述为 e ，= e ，吒+ 厂( 力( q ，) ( 2 - 1 1 ) 式中厂( 功为一无量纲环量分布函数，且0 ，( 力s 1 ，可由四阶多项式描述， 厂( 砷_ = d x 4 + k 3 + 饯2 + 出+ e ( 2 1 2 ) 式中，x = s s o 为叶片区轴面流线相对长度，口、b 、c 、d 、e 为系数。 总体来说，上述几种方法，当由给定的e 厂已知条件计算所得到的q ，在整 个子午流面上的分布能够比较均匀，即无论沿准正交线还是沿子午流线都不出现 过大或过小的e r 分布梯度，通常可以完成设计计算，所设计的叶轮一般也是合 理的。 2 3 确定曲线方程的方法 2 3 1 插值法 在科学研究和生产实践中，常常需要从一组测量数据 ，咒) o = 0 ，1 ，1 ) 出 发，寻找变量y 与x 的函数关系y = ，( 砷的近似表达式y = 伊( 力。从几何角度来 说就是利用y = 伊( 砷的图像来近似y = ，( 力的图像。插值和曲线拟合就是求近似 表达式y = 烈功的两种方法。下面分别对这两种方法进行简单介绍。 设函数y = ，( 功定义在区间【a , b 】上，其解析表达式是未知的，只能通过实 验或观测得到有限个互异的离散的点( 七= 0 ，1 ，n ) 处的函数值 儿= 厂心) ( 七= 0 ，1 ，n ) ( 2 - 1 3 ) 在一个函数类中寻求一个简单函数p ( 砷，使满足 尸( 再) = 厂( 效) = 儿( 后= o ，1 ，力( 2 1 4 ) 式( 2 - 1 4 ) 称为插值条件。函数类可取为代数多项式或分段多项式，也可取 1 3 江苏大学硕士学位论文 三角多项式或有理函数等。 设函数y = 厂( x ) 在区问k ，6 】上有定义，且已知在点 a x o x a 艺 吒b 处的函数值 儿= f ( x k ) ( 七= o ，l ，疗) ( 2 1 5 ) 若存在简单函数p ( 砷e 1 ) 使得( 2 1 5 ) 挝，则称p ( x ) 为厂( 砷的插值函数， 厂( 功称为被插值函数，( 尼= o ，1 ，甩) 称为插值节点，区间k ，6 】称为插值区间， 称为插值函数类，求p ( 功得方法称为插值法。 当选用代数多项式为插值函数时，相应的插值法称为多项式捅值。有求插 值多项式的简便方法：l a g r a n g e 插值，n e w t o n 插值，h e r m i t e 插值，分段 多项式插值及样条插值。 插值法的思想很简单：先数一数有几个节点，“节点个数减一 就是我们要 构造的多项式的最高次数，然后再利用我们讲过的构造方法来构造就可以了，其 实就是套用公式。但它有明显的缺陷：一是测量数据( 毛，m ) 通常带有测量误差， 而插值多项式又通过所有的点 ，只) ( f _ 0 ，1 ，n ) ，这样就使插值多项式保留了 这些误差。 2 3 2曲线拟合 与插值不同，曲线拟合不要求曲线通过所有已知点，而是要求得到的近似函 数能反映数据的基本关系即可。所以在某种意义上，曲线拟合更有实用价值。 已知一组实验数据 要求y = f ( x ) 的近似表达式。从几何上来讲，就是求y = f ( x ) 得一条近 似曲线，故称为曲线拟合问题。 基于插