（流体机械及工程专业论文）旋转喷射泵的启动特性及内部流场研究.pdf

硕卜学位论史! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 苎! ! ! ! 曼曼曼! ! ! ! ! ! ! 曼曼! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! 皇! ! ! 曼曼皇! ! !摘要旋喷泵是一种新型特低比转速泵，具有小流量、高扬程、q h 曲线平坦、结构简单等特点，它比一般的同比转速的离心泵效率要高1 0 2 0 左右，广泛应用于石油化工、冶金、造纸、消防等行业。由于国内对于旋喷泵的研究起步较晚，研究不够深入全面，尤其是对于主要过流部件一集流管和转子腔的研究很少，致使该类型泵的效率还较低，应用较少。另外，在已投入使用的旋喷泵中，启动力矩特别大也是应用中存在的一个重要问题，因此研究旋喷泵内的流动规律以及启动特性有着重大的理论价值和良好的应用前景。本文利用f l u e n t 6 1 软件，采用标准k g 方程紊流模型和s i m p l e c 算法，对课题组以前设计的x p 3 0 0 一6 型旋喷泵进行了内部流场的数值模拟，对转子腔内液体流动规律进行了重点研究分析，针对旋喷泵在启动过程中会产生很大的力矩的实际问题，对旋转喷射泵的启动特性进行了研究，推导出了针对旋喷泵启动过程的力矩方程。通过研究得到的主要结论如下：( 1 ) 通过对旋喷泵转子腔内液体流动规律的数值研究，并对不同轴向长度、不同截面进行分析计算后发现：转子腔内的流体速度随着半径的增加而增大，腔体内液体随着腔体做刚性运动，即每一点的角速度值都是相等的，并且腔内液体的旋转角速度劬与腔体的旋转角速度值之间的定量关系是锡一o 7 8 。并且在转子腔轴向长度为9 0 姗1 2 0 咖的范围内上述结论都是成立的。( 2 ) 集流管进口直径对旋喷泵的性能影响较大，通过研究发现：集流管进口名义尺寸可按d 计算a 詈笔计算，另外需要考虑集流管进口处的缩孔效应。对集流管进口处因缩孔效应进行研究，得到了缩孔厚度6 与管道直径d 之间的数值关系：6 ；0 扰。进而得到了集流管进口实际尺寸与计算尺寸之间的关系：呔际一1 扰计算，计算结果取整。该结论对设计集流管具有指导意义。( 3 ) 分析了影响旋喷泵启动力矩大小的因素：叶轮、转子腔、腔内液体及集流管，通过推导得到了旋喷泵的启动力矩公式。通过推导出的旋喷泵启动力矩公式发现：旋喷泵的启动力矩与启动加速度有很大关系，启动加速度越大，启动旋转喷射泉的启动特性及内部流场研究力矩越大，另外还与转子腔腔体的径向长度有关，转子腔腔体的径向长度越大，启动力矩越大。关键词：旋喷泵；数值模拟；转子腔；启动特性；启动力矩h硕i j 位论文a b s tr a c tt h er o t o j e tp u m pi san e wl 【i n d0 fv e r yl o ws p e c i f 互cs p e e dp u m p ，w h i c hh a sm a n yc h a r a c t e r s ，s u c h 弱l o wf l u x ，h i g l lp r e s s u r e ，s m o o t hq - hc u r v e ，s i m p l ec o n s t n l c t i o n 1 t se f f i c i e n c yi sh i g l l e ra b o u t1 0 - 2 0 t h 锄t h ec e n t r i f u g a lp u m pw h i c hi sa tt h es 锄es p e c i f ：i cs p e e d i ti sa l w a y su s e di nt h ei n d u s 仃yo fo i l ，c h e m i c a l ，m e t a l l u 堵y ，p a p e rm a l 【i n g ，f i r ef i g l l t i n g b e c a u s es t a r tr e l a t i v e l yl a t ei nf a s t e n i n gt h er e s e a r c ho fg u s h i n go u tt h ep u m pa th o m e ，i ti sn o td e e pe n o u g ha n do v e r a l lt os t u d y ，e s p e c i a i l yo ft h ep i c k u pt u b e 孤dr o t o rc a v i t y ，i ti ss t i l lr e l a t i v e l yl o wt oc a u s et h ee 伍c i e n c y0 ft h i st y p ep u m p b e s i d e st h a t ，t h e r ea l s oi sat e 玎i b l ep r o b l e mi nt h eu s eo ft h er o t 0 - j e tp u m p ，w h i c hi sh u g es t a n u pm o m e n t u m s ot h er o t 0 - j e tp u m pi sl e s st 0u s e t 1 l e r e f o r e ，i th a sv e r yi m p o n a n tt h e o r yv a l u e 觚dw e l l 印p l i c a b l ef o r e 留o u n dt 0r e s e a r c hi l lt h e1 1 j l eo ft h ef l o wf i e l di n s i d ea n dt h es t a r t u pc h a r a c t e r i s t i c0 fm er o t o j e tp u m p t 1 l es t a n d a r dk - et u f b u l e n c em o d e l 孤ds i m p l e ca 1 9 0 f i t h ma r ea p p l i e dt 0a n a l y z et h ef u un o wp a s s a g eo ft h et y p ex p 3 0 0 6r o t o - j e tp 哪pd e s i g n e db yt h es t u d y i n gt e 锄b e f o r eb yf l ，u e m r 6 1i nt h j st h e s i s ，孤dt h cf 1 0 wr e g i l l a r i t yi nt h er o t o rc a v i t yw 弱觚a l y z e d 锄p h a t i c a l l y a i m i n ga tt h ep r 拟i c a lp r o b l e mo ft h ep r o d u c i n gh u g em o m e n t u mo fs t a n u p ，t h es t a n u pc h a m c t 丽s t i ci ss t u d i e d 觚dt h ee x p r c s s i o 脑f o rt l l em o m e n t u m0 fs t a r t u pi sw o r k0 u t t h em a i l lc 0 n c l u s i o n sa r c 勰f o l l o w s ：( 1 )n o u g l lt h er e s e 砌o nt h er o t o rc a v i t y sf 1 0 wr e g u l a r i t ya i l d觚a l y s i sc a l c l l l a t i o no ft h ed i 饿r c l l tl e n 舀h s 觚dd i 骶r e ms e c t i o n s ，w e 咖d r a wt h ec o n c l u s i o n s ：t h en u i dv e l o c i t yi sb i g g c rw i t ht h er a d i a li n c r e a s i n g t l l l en u i dd o e sr i 百dm o v e m e n tw i t ht h ec a v i t y ，i tm e 雒st l l a te v e r yn u i dp o i l l t sa n g i l l a rv e l o c i t yi st h es a m e ，t h ec 0 加c c t i o nb e t 、) l ，e e nt h en u i d ，s 觚g u l a rv e l o c i t y 铣粕dt h er o t o rc a v i t y sa n g l l l 盯v e l o c i t yi s 魄一0 7 8 t h i sc o n c l u s i o ni sc o r r e c tw h t h ea ) 【i a ll e n 舀hi sb e t w e e n9 0 i i l ma n d1 2 0 m m ( 2 ) t h ei n n u e n c eo ft h ei n l e td i 锄e t e ro ft h ep i c k u pt u b eo nt h ec a p a b i l i t yo ft h er o t o - j e tp u m pi s 黟e a t t h o u g l lr c s e 觚c h ，t h en o m i n a ls i z eo ft h ei n l e td i a m e t e rc a nb e旋转喷射泵的启动特件及内部流场研究g o tb yt h ee x p r e s s i o n0 f d 计算=，i na d d i t i o n ，t h es m i l l 【a g ee 虢c ti nt h ei n l e t0 ft h ep i c k u pt u b en e e d st ob ec o n s i d e r e d t h o u g l ir e s e a r c ho nt h es h r i n k a g ee f f e c t ，t h ec o 姗e c t i o nb e 铆e e nt h es 埘n l 【a g et h i c l 【i l e s s6a i l dt h ep i p i n gd i a m e t e rdi sf o u n d ：6 0 ：豺a n dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h et r i ms i z ea n dt h ec a l c u l a t i o ns i z eo ft h ep i c k - u pt u b ei n l e ti sa l s ow o r k e do u t ：d 实际= 1 2 d 计算，t h e 量e s u na d o p ti n t e g e r i h i sc o n d u s i o nh a sg u i d i n gs i 印i f i c a l l c ef o r t h ed e s i 朗i n gp i c k u pt u b e ( 3 ) t h ei n f l u e n c eo ft h ei m p e l l e r ，t h ec a v i t y ；t h ef l u i di nt h ec a v i t ya n dt h ep i c k u pt u b e0 nt h em o m e n t u mo fs t a n u pi s 觚a l y z e d 锄dt h ee x p r e s s i o n sf o r t h em o m e n t u mo fs t a r t u pi sw o r ko u tt h o u g hd e d u c t i o n t h r 叫g ht h ee x p r e s s i o nw ec a i lf i n dt h a tt h es t a r t u pm o m e n t u mi sr e l a t e dw i t ht h e觚百ea c c e l e r a t i o n 柚dt h em d i a l l e n 舀ho ft h er o t o rc a v i t y t h ea n 舀ea c c e l e r a t i o na i l dt h er a d i a l l e n 甜ho ft h er o t o rc a v i t ya r cb i g g c r ，t h es t a r t u pm o m e n t u mi sh u g e r k e yw o r d s ：r o t 0 一j e tp u m p ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；r o t o rc a v i t y ；s t a n u pc h a r a c t e r i s t i c ；s t a r t u pm o m e n t u m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：弘勿鬃作者签名：缎肌磁日期：纠年占月d 日日期：州年6 月p 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。鬣缀导师签名：方凇日期：日期：日日o“d，月月、d6年年7 文硕 j 学位论丈1 1 引言第一章绪论目前我国生产的泵类产品主要有离心泵、混流泵、轴流泵、旋涡泵和往复泵等，虽然已有较为广泛的型谱覆盖范围，但在小流量、高扬程的范围内，仍没有较为理想的产品，在此领域应用的产品主要有小流量离心泵、旋涡泵、高速泵、多级泵和往复泵。但是这些泵都有各自不同的特点及适用领域，不能完全满足于需要。随着交通运输、工程机械、农业机械的迅速发展，迫切需要一种高压头、无泄漏、运行稳定的泵，而旋转喷射泵正满足了这种需求，被纷纷引进国内，投入使用。1 2 旋转喷射泵简介1 2 1 旋转喷射泵的工作原理旋转喷射泵( 以下简称旋喷泵) 又称皮托泵，是一种工作原理和结构( 见图1 1 ) 都很独特的的极低比转速泵，其比转速n 。般在5 3 0 的范围内，主要工作部件为一高速旋转的转子体和一静止的集流管，转子体由与轴用螺钉连接的轴、叶轮和转子腔组成，转子体通过电动机驱动，转子腔和叶轮是紧密连接的并随着泵轴进行同步旋转，而集流管固定安装在腔体内，是静止不动的。旋喷泵的工作过程是：液体在高速旋转的叶轮的作用下被吸进吸入室，再经叶轮离心加速后进入转子腔旋转，把液体从中心甩向转子腔体的外缘，速度增加，在腔体边缘的液体速度最高，最后，旋转着的外围液体被入口在腔体内边缘的集流管收集，通过集流管把速度能转变为平稳、无脉动的高压液体。旋转喷蚶的启曲特性内部流自研宄图ll 旋转喷射泵结构简图i 一轴7 扛箱2 一土轴，3 轴承，4 转子腔5 集流管，6 一叶轮：7 机械密封8 一吸入室1 2 2 旋喷泵的主要特点效率高通常泵内损失分为三类：机械损失、水力损失和容积损失。而机械损失中又包括轴承、密封和圆盘摩擦损失。据相关资料的统计，低比转速泉的圆盘摩擦损失约占泵输入水力功率的2 5 左右“。1 。由此可见，低比转速泵提高效率的关键是降低圆盘摩擦损失。在旋喷泵中，由于转子腔和叶轮随泵轴一起转动，因此不存在圆盘摩擦损失。但是旋喷泵叶轮是轴向吸入、排出液体，没有蜗壳来消除从叶轮中流出的旋转液体的动能，其水力损失比离心泵要大一些。但是旋喷泵用于低比转速的小流量、高扬程的工况下，效率明显高于多级泵。文献 3 中对旋喷泵、多级泵和高速泵的效率进行了实验比较，实验数据如图12 所示。从图中可以看出：旋喷泵在相同的比转速下效率高于多级泵很多，这主要是由于多瓤泵的圆盘摩擦损失大的缘故。同样旋喷泵与高速泵相比较，在相同的效率下，高速泵的比转速要大很多，这主要是由于高速泵的圆盘摩擦损失和扩压损失较大。可见，在商扬程和小流量的工况下，旋喷泵比多级泵和高速泵有明显的效率优势。硕 j 学位论文! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼曼! ! ! 曼!图1 2 效率比较图平稳的q _ h 曲线由于旋喷泵没有圆盘摩擦损失，叶轮进口角大，而且液体流出叶轮后进入转子腔，在转子腔中具有稳定过程。因此，有效的避免了低比转速离心泵的q - _ h曲线的驼峰现象，且q _ _ h 曲线平稳。小流量、高扬程输送一般的流量是每小时几十立方米以内，小的只有几立方米，扬程为几百米。其中美国贝克休斯公司的r o 型旋喷泵转速达到6 3 2 l r m i n ，最大流量达到9 1 m 3 h ，最高的扬程达到1 5 8 5 m 。全特性运行旋喷泵可以在它的扬程曲线上的任何一种工况下运行，从全开到全关都可以毫无损害的运行，由于它的径向和轴向载荷完全独立于泵的流量，这使得泵可以在它的运行曲线上的任意一点运行而不会对轴或轴承造成损害。性能适应性强泵的流量和扬程可以很轻松的改变。泵的流量直接来自于集流管的开口直径，泵的扬程直接来自于泵的速度。因此我们可以很轻松的改变泵的一部分，如集流管或泵的转速来获得一个完整的模型泵的流量和扬程的性能曲线。耐久力强旋喷泵可以经受恶劣工况产生的冲击。如果因为吸力的缺失而造成泵的干转，旋喷泵的旋转装配部分就不会咬合，这是因为机械密封不是安装在驱动轴上，由于密封失败造成的有害泄露和温度上升都不会扩散到精密的轴承上。因此在泵3旋转喷射泵的启动特件及内部流场研究的设计中不需考虑比如轴的公差等的因素。结构简单可靠从旋喷泵的结构图可以看出，它的零件很少，比多级泵和高速泵都要简单，因此，它更可靠、经济。旋喷泵只有在其进口处才有密封，泵进口压力一般不高，容易密封。高压出水由静止的集流管来承担，在主轴端不存在密封问题。由于只有很少的转动部件和处于低压区的密封设计，因此泵的维护就很轻松了。1 2 3 旋喷泵的应用领域旋喷泵最初的应用是在六十年代的食品工业和造纸工业中，当时用户需要一种性能可靠、小流量、高扬程的泵，旋喷泵的可靠性能和众多设计上的优势使得它迅速的占领了食品工业和造纸工业的清水泵市场h 1 。旋喷泵在这些领域的良好声誉以及它的强劲的后续发展使得它获得了更大范围的应用。食品工业旋喷泵可以随意调节流量和可以在其扬程曲线上的全范围工作的优点使它成为食品行业中心清理系统高压泵的首选。喷枪需要遍布于食品加工设备中，并且根据需要来进行清理。这种持续不断的改变命令的需要就要求了泵要在一个很大的流量范围内运行，而旋喷泵恰好可以满足这个要求并且可以在没有命令的时候以很小的流量运行。这种清理系统在食品加工行业中到处可见，如肉类包装、酿造、水果等的罐头加工、饮料加工等。造纸和打浆在造纸工业中，高压喷头往往被用来清理机器上的覆盖物。清除这些覆盖物是造出高质量纸的一个重要环节，如果在每一步中没有仔细的清理，那些覆盖物就会形成纸浆残渣，严重影响纸的质量。喷头的流量和压力是可变的，这取决于所生产的纸的类型和机器的速度。旋喷泵极其适合于这种需要不断改变工作要求的情况。石油化工和石油炼制旋喷泵的首次生产就是在7 0 年代末期为了适应美国石油协会6 1 0 号标准一通用炼制设备离心泵口1 。从那时起，旋喷泵可以通过低比转速就可以产生高扬程的特性在石油化工和冶炼工业中得到了大范围的应用。低压设计的机械密封使得旋喷泵可以应用到轻烃处理及一些高压处理中，泵本身的承受巨大冲击的能力使4硕一l j 学位论文得它可以经受住低比转速的液体重力所引起的冲击压力。在高压喷射和深井装置应用中往往需要一个恒定的出流，此时系统压力的改变是整个处理过程发生改变的集中反应。如果旋喷泵用变频电机来驱动，它就可以满足这些工况的要求。炭黑制造炭黑作为橡胶制品的补强剂和染色填充料之一是橡胶工业的必不可少的原料。它的制造工艺中需要一种重油，这种油粘性比较大，比重也比较大。同时还需要加热，如果在输送的过程中温度降低，则油的粘度迅速增大，此时泵的输出功率也需要随之增大。同时输送此原料还需要毫无泄漏。众多的炭黑厂家在使用了多种泵型以后，最终选择了旋喷泵。旋喷泵的水头比较高，密封好，无泄漏。它可以变工况运行，运行维护的费用大大降低。电站对绝对可靠性的追求已经使得发电行业开始注意到旋喷泵能够满足他们对高压的要求。旋喷泵往往被用来做锅炉给水泵和降温泵。发电站中常用的汽轮机也需要一个高压泵来同时控制燃料和n 0 】【的喷射，燃烧温度是通过喷入带有燃料的高压水并同时减少n 0 。的散发来控制的。旋喷泵在国外已经有4 0 多年的历史，它已经成为了变流量高压泵的首选。但在国内关于它的研究还很少，应用范围也比较窄，随着工业的发展，对泵的要求的提高，旋喷泵以其性能稳定、结构简单、维护方便等的优点一定会有更广阔的应用空间的。1 3 旋喷泵的发展概况旋喷泵从正式投入使用到现在只有3 0 年多的时间，但是对于它的研究可以追溯到上个世纪的2 0 年代。1 3 1 旋喷泵在国外的发展概况5旋转喷射泉的启动特性及内部流场研究s t e v eo s b o m 3 对旋喷泵的发展历史、工作原理、结构、特点、应用等作了较全面的介绍。旋喷泵的结构原理是在1 9 2 3 年由f w k r o g h 提出，他把皮托管的原理推广应用于泵的设计上，故称为皮托泵。第一台利用皮托管原理研制的泵是开式的，有许多缺陷。直到2 0 世纪2 0 年代，人们才研制出了闭式皮托泵。第二次世界大战爆发后，德国和英国为开发火箭和导弹开始研制旋喷泵。随着二战的结束，旋喷泵的研究陷入低谷。直到2 0 世纪6 0 年代，人们发明了封闭转轮和封盖，这二者组成了一个径向的旋转叶轮才使得旋喷泵开始发展起来，并最终形成了当前的基于皮托管原理的旋喷泵模型。此时，众多的行业需要一种可以随意调节流量和在扬程曲线上全范围工作的性能稳定的高压泵。如在食品行业中清理系统就需要这种高压泵，而旋喷泵恰好可以满足这种要求。这种清理系统在食品行业中到处可见，如肉类包装、酿造、水果和蔬菜的罐头加工和饮料加工等。另外在造纸工业、石油化工与炼制以及电站中都需要具有这种工作特性的泵。在此背景下，2 0世纪6 0 年代的美国出现了旋喷泵的专利，到7 0 年代，k o b e 公司生产出了第一台商用旋喷泵，从此旋喷泵开始走向市场，逐渐被人们所接受。此后七、八十年代在国际上出现了一段关于旋喷泵的专利高潮。在国外，旋喷泵已具有比较令人满意的性能。1 3 2 旋喷泵在国内的研究发展概况旋喷泵在国内的发展基本上经历了引进消化吸收开发生产这一过程。我国最早引进旋喷泵是在1 9 8 7 年左右在炭黑新工艺改造中用于原料油的输送川。温州有机化工厂的新工艺炭黑生产线的原料油从喉管进入，要求有一定的压力且流量稳定。由于原料油是富含芳烃的非润滑性油，对设备会造成磨损。在使用三螺杆泵、高压齿轮油泵以及多级离心泵时，寿命都非常短，低压下最长寿命仅能达到半年。在引进了美国两台r 2 6 6 型旋喷泵投入运行半年后，其运行状况仍然具有无脉动流动、压力稳定、运转平稳、不需检修、不磨损零件的特点。1 9 8 8 年，文献【8 l 对旋喷泵作了专题介绍，详细介绍了旋喷泵结构和原理，列出了系列产品的性能范围和所用的材料，并说明了旋喷泵在小流量高扬程范围内的发展前景。他认为随着石油化工、化学工业、印染业、冶金业等的发展，旋喷泵必然会得到发展和应用。文献【9 】也专门对美国贝克休斯公司的旋喷泵进行了介绍，详细列出了贝克休斯公司生产的3 种旋喷泵的主要参数和主要部件的材料。1 9 8 9 年北6硕l 学位论文京化工机械厂【1 0 l 开始对旋喷泵进行调研和试制，1 9 9 2 年通过化工部鉴定。其中有2 台泵在天津炭黑厂进行了工业性考核试验，使用良好。经过他们的实验验证表明，旋喷泵的扬程和功率曲线都比较平缓，效率比高速泵要高6 8 。随着旋喷泵的成功引进，国内开始对旋喷泵的工作原理、结构特点、水力设计及使用条件等进行研究【1 卜1 3 1 ，取得了一些初步成果。杨军虎等1 2 】进行了旋喷泵叶轮内的准三元流动计算，计算显示叶片工作面速度先减小后增大，叶片背面速度先增大后减小。旋喷泵作为国内的新泵型，在推广和使用方面还缺乏经验。针对使用中的问题，张宏等【3 】介绍了旋喷泵故障的预防和处理措施。目前，旋喷泵在国内主要用于炭黑行业，在其它行业应用量还很少，主要是人们对其工作原理和结构特点了解不多。一、叶轮的研究状况叶轮是旋喷泵的主要工作部件之一，是泵转化能量的重要部件，它的结构和尺寸直接影响到泵的工作性能。国内对于它的设计研究、探讨相对是比较多的。杨军虎等口钔针对从日本进口的后弯式旋喷泵叶轮进行了叶轮内的准三元流动计算，计算显示叶片工作面速度先减小后增大，叶片背面速度先增大后减小。而叶轮流道中的空间流线从进口到出口逐渐变窄，即工作面速度小于背面速度，但在出口转向处由于设计叶轮出口安放角太小，背面速度小于工作面速度。从而得出这是使得旋喷泵叶轮水力损失增加的原因。在加大叶轮出口安放角，减小出口宽度后，此现象可消除。并证明了用准正交面法计算旋喷泵叶轮三元流场是可行的。程云章等n 耵选用湍流模式。采用有限控制体积法对n a v i e 卜s t o k e s 方程进行数值离散，运用s i m p l e 方法求解，对旋喷泵叶轮在相对坐标系下和转子腔、集流管在绝对坐标系下的内部流动分别进行了全三维粘性数值模拟。他们针对由矩形流道组成的叶轮进行了内部流动分析，得到的结论是绝对速度主要受牵连速度的影响，随半径的增加而增大，相对速度的大小在流道直管段变化不大，而在出口处有回流发生，再通过计算得出了叶轮的理论扬程。提出了提高旋喷泵效率的途径，这对旋喷泵的优化设计是具有指导意义的。王成木等n 叼做了复合叶轮和矩形断面叶轮与4 种不同的集流管进行交叉试验对比后发现，把叶轮流道设计成矩形断面比长短叶片的复合叶轮的水力性能要好，且结构简单，不需铸造，采用全机加工的方法就能得到精度很高、表面粗糙7旋转喷射泵的启动特性及内部流场研究度很小的叶轮。邹雪莲等【1 7 】分析了旋喷泵的由矩形流道组成的叶轮的物理模型，建立了流道内部流动解析的数学模型，自行开发软件对旋喷泵叶轮流道内部流动进行了全三维势流分析，同样得出相对速度大小在流动过程中变化不大，方向随流道形状而变化，绝对速度主要受牵连速度的影响，随半径的增加而增大，并计算了叶轮产生的理论扬程，同时应用工具软件f l u e n t 对叶轮内部流动进行了计算。通过对两种方法的计算结果进行比较，发现矢量图中的量阶和趋势是吻合的，从而证明了作者采用的边界元法用于旋喷泵叶轮计算是合理的。二、集流管的研究状况杨军虎、齐学义等n 砌最早对集流管的设计参数计算公式进行了研究，给出了进口直径d 1 一专磬扩散段长度三一b 一鲁出口直径d ，一等扩散角1v 石妒f2。、石屹l e s i n ：竺f _ o 7 0 1 + 7 8 7 9 口一8 4 0 勉：1 。o ，并对某旋喷泵集流管进行了计算验证，结果吻合较好。此后，齐学义，杨军虎等n 们指出集流管在泵腔中有液体绕流，因此要求集流管应有最佳的外部形状，以满足绕流阻力最小的要求，认为扩散段采用唇形的流线形状比较好，这也为以后集流管的设计提供了理论基础。程云章等啪侧也只是设计了集流管的进口直径和出口直径，计算公式与上相同，并对某样机进行了验证。王成木等n 町设计了4 种方案的集流管，简图如下，并对它们进行了试验。岢a 理a图1 4i 、i i 方案集流管简图图1 5m 、方案集流管简图。i 、i i 方案为双管集流管，、方案为单管集流管。通过试验得出的结论是：单管集流管相比双管集流管的效率有很大提高，且q _ h 曲线平稳，工况稳定；8硕f ：学位论文集流管喉部直径的大小不仅影响泵的能量特性，而且直接影响集流管断面尺寸的大小。因此，要适当选择喉部流速。李德忠等乜给出了集流管主要参数的计算方法和取值范围，研究设计了单，双吸集流管各一个，并得出双吸集流管用于设计流量较大的情况，但水中绕流损失较大，而单吸集流管用于设计流量较小的情况，但泵的容积损失较大的结论。而后，程云章等n 踟用c f d 软件f l u e n t 对集流管内进行网格划分，然后采用连续方程、动量方程、七一紊流模型进行数值模拟。结果表明，集流管直管段运动状态比较稳定，扩散管段的流动非常不均匀，在拐角处和截面内可观察到明显的回流和旋涡。并建议扩压段的截面采用扁平椭圆型截面，椭圆截面的长半轴应尽量位于圆周平面内，且扩压段的长度应尽可能长些。另外，拐角处的弧度应变化平缓，这些对于集流管的优化设计是具有很高参考价值的。这表明用c f d软件对其进行数值模拟是可行的。但其他结论并未得出。随后田爱民等乜2 1 又对集流管内部流动进行了进一步的研究，首次揭示了集流管内部的压力、速度以及湍流动能的分布规律。得出集流管扩散段的形状对其效率有很大影响，沿集流管扩散段延伸的方向，流体的速度明显减小，压力明显增加，末端紊动能较大的结论。三、转子腔的研究状况从文献中可以看出，国内对转子腔的研究相比叶轮和集流管更少。王成木等n 6 1 在对长短集流管的试验中只是通过分析得出了转子腔中液体能量分布的情况，即：转子腔中心液体能量最低，随着直径的增大液体的能量增加，其内壁外缘液体的能量最高。程云章等n 叼对于转子腔的模拟结果表明与王成木等n 明分析得出的结果基本相同，即：流体在转子腔内部的分布比较的均匀，速度的大小沿半径方向逐渐增大，且分布比较均匀。从上面的现状总结我们可以看出：目前，国内对旋喷泵的报道和研究还很少，发表的文章几乎都是关于旋喷泵的设计和使用方面的初步探讨。转子腔中的研究只是定性的分析了流场内的压力、速度等的分布，没有得到具体的速度值的大小，更没有考虑转子腔的宽度、壁厚和半径等对启动力矩的影响，也没有考虑旋喷泵启动过程中，叶轮和集流管对启动力矩的影响以及影响泵启动力矩大小的9旋转喷射泵的启动特性及内部流场研究其他因素。1 4 本文的主要研究内容由于旋喷泵的优点突出，从而替代了小流量、高扬程离心泵、往复泵等在橡胶、石油、化工、冶金等行业中大量使用。在我国，随着石化装置整套引进，在乙烯、炭黑等工业装置中也引进使用了大量此种泵型。旋喷泵的应用前景是非常好的。从旋转喷射泵的工作原理知：旋喷泵的主要过流部件有三个：叶轮、转子腔和集流管。在这些系统中，工作完全靠旋喷泵在快速启动的极短时间内完成，在这个过程中，旋喷泵的转速、流量和扬程随时间迅速变化，另外，由于旋喷泵有很大的转子腔，并且转子腔具有一定的壁厚，启动时，转子腔和叶轮中已经充满液体，并且集流管在转子腔中始终处于静止状态，所以旋喷泵在启动过程中会产生很大的力矩，而传统的离心泵、轴流泵、混流泵、往复泵等则不存在这方面的问题。本文利用p r o e n g 矾e e r 软件对旋喷泵的各个部件进行建模和组合，应用洲b n 2 0 对建立的实体模型分别进行网格划分、指定边界条件，然后进行组合，形成组合的整个泵体，最后导入n u e n t 进行模拟计算，重点分析转子腔内液体的流动规律，为分析旋喷泵的启动特性和设计集流管进口尺寸提供重要的依据。另外，本课题将会由动量矩定理出发对旋喷泵开启过程中叶轮、转子腔和集流管的启动力矩公式进行推导并分析启动力矩对旋喷泵水力性能的影响。本论文拟把叶轮、转子腔和集流管从启动到达到稳定状态过程中的力矩分开推导，最后利用力矩的叠加原理进行叠加，从而找到影响整台泵启动力矩的因素。1 0硕十学位论文第二章数值模拟方法2 1 三维流动基本方程及湍流模型近年来，随着计算机在各个领域的普及应用，很多大型的商用c f d 的软件出现了，如f l u e n t 、s t a r c d 、c f x 等，并且事实证明了它们都能够在较高的精度条件下得到让用户满意的模拟结果。因此，现在出现了用c f d 模拟逐步取代实验测量的前景。计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n 锄i c s ) 是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。c f d的基本思想可以归结为：把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值乜副。目前，研究流体流动问题的方法有三种幽删：c f d 方法、理论分析方法、实验测量方法。理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。对于非线性情况，只有少数流动才能给出解析结果。实验测量方法所得到的实验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础，其重要性不容低估。然而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有时可能很难通过试验的方法得到结果。此外，实验还会遇到经费投入、人力、物力的巨大耗费及周期长等很多困难。而c f d 方法采用的是离散的数值计算方法和计算机模拟实验的方法，它的优点主要有：( 1 ) 数值模拟和计算机实验更经济、迅速，采用c f d 方法通过计算机进行样机性能试验，能够很好地在图纸设计阶段预测流体机械的性能和内部流动产生的旋涡、二次流、边界层分离、尾流、叶片颤振等不良现象，力求将可能发生故障的隐患消灭在图纸设计阶段；1 1旋转喷射泵的启动特性及内部流场研究( 2 ) 用计算机进行实验更自由、灵活，它可以任意设置实验参数；( 3 ) 用计算机进行实验有突破能力和预测能力。总之，c f d 是一种更有效、更经济的研究手段。2 1 1 基本方程任何一种流体的运动规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律为基础的。因此流体动力学方程组就包括连续性方程( 即质量守恒方程) 、动量守恒方程和能量守恒方程。1 连续性方程( c o n t i n u i t ye q u a t i o n ) ：连续方程的散度形式为望+ v 册；o( 2 1 )砸。所研究的水体可看作不可压缩流体，则有塑。0( 2 2 )疵则上面的连续性方程可简化为：塑+ 业+ 业。o( 2 3 )+ + 一ul z j ，缸砂a z以上三式中，j d 为水体的密度，u ，v ，w 为x ，y ，z 三个方向的流速分量。2 动量守恒方程( m o m e n t u me q u a t i o n ) ：动量方程结合连续性方程即可得到著名的n s 方程，其微分方程的张量形式为：詈+ 毒沪五一吉詈+ 矗q 4 ，泵装置内的流场在恒定、不可压缩条件下的动量方程则为：毒吩吉詈+ 矗他5 ，以上两式中，p 为动水压强，五为i 方向的体积力分量。3 能量守恒方程( e n e r g ye q u a t i o n ) ：流体总能量= 内能+ 动能+ 势能1 2硕f j 学位论文詈+ 咖俾y + p y y 砌一旷y2 1 2 控制方程的离散化方法( 2 6 )在计算流体力学中应用较广泛的是：有限差分法、有限体积法、有限元法、有限分析法、边界元法等。1 有限差分法：它是历史上计算机数值模拟最早采用的方法，被广泛应用到现在。它的基本求解思路是：将求解区域用与坐标轴平行的一系列网格线的交点所组成的点的集合来代替，在每个节点上，将控制方程中每一个导数用相应的差分表达式来代替，从而在每个节点上形成一个代数方程。每个方程中包括了本节点及其附近一些节点上的未知值，求解这些代数方程就获得了所需的数值解。它的数学概念直观，表达简单，但是对复杂区域的适应性较差。2 有限体积法：它是将计算区域划分为一系列控制体积，每个控制体积都有一个节点做代表，通过将守恒型的控制方程对控制体积做积分来导出离散方程。在导出的过程中，需要对界面上的被求函数本身及一阶导数的构成作出假定，这种构成的方法就是有限体积法中的离散格式。它是目前流动与传热问题的数值计算中应用最广的一种方法。在f l u e n t 中就采用了有限体积法作为控制方程的离散化方法。3 有限元法：它也是求解偏微分方程的一种系统化的方法，有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，在有限元中把计算区域划分为一系列单元体，在每个单元体上取数个点作为节点，然后通过对控制方程做积分来获得离散方程。4 有限分析法：它是由陈景仁教授在1 9 8 1 年提出的，在这种方法中，也像有限差分法那样，用一系列网格线将区域离散，不同的是每一个节点与相临的4 个网格问题组成计算单元，即一个计算单元由一个中心节点与8 个邻点组成。在有限分析法中的系数不像有限体积法那样有明确的物理意义，对不规则区域的适应性较差。2 1 3 湍流模型理论湍流就最基本的特征就是它的随机性，因此要准确地描述湍流运动随时间和空间的变化是不能实现的，统计平均方法是处理湍流流动的基本方法，雷诺首先旋转喷射泵的启动特性及内部流场研究意识到了这一点，他采用时均法建立了湍流平均动量方程。将雷诺方程与n s方程相比较可以看出，前者增加了r e y n o l d s 应力，为了使方程组封闭，必须补充相应的物理方程。湍流理论的核心问题就是建立r e y n o l d s 应力的物理方程。总体而言，目前的紊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。所谓直接数值模拟方法是指直接求解瞬时紊流控制方程。而非直接数值模拟方法就是不直接计算紊流的脉动特性，而是设法对紊流作某种程度的近似和简化处理。依赖所采用的近似和简化方法不同，非直接数值模拟方法分为大涡模拟、统计平均法和雷诺平均法。紊流数值计算方法的分类如图2 1 所示1 。图2 1 紊流数值计算方法一、直接模拟直接数值模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，简称d n s ) 又叫完全数值模拟，它采用原始的含时均值和瞬时值的非稳态的n s 方程对紊流进行直接计算，不提任何模型和假设。d n s 的最大好处是无需对湍流流动作任何简化或近似，理论上可以得到相对准确的计算结果舢。但计算必须采用很小的时间和空间步长，才能分辨出紊流中详细的空间结构及变化剧烈的时间特性，故其对计算机速度和空间内存要求非常高，目前只能应用于低雷诺数下简单几何形状紊流场的模拟，还无法直接应用于实际工程问题之中。二、大涡模拟1 4硕卜学位论文! 曼! ! ! 皇曼! 苎! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 鼍! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼鼍! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼大涡模拟( l a r g ee d d ys i 舢l a t i o n ，简称l e s ) 湍流的脉动和混合主要是由大尺度的漩涡造成的。大尺度的漩涡从主流中获得能量。大尺度的漩涡是通过相互作用把能量传递给小尺寸的漩涡。在流场中起主导作用的是大尺度的漩涡。先尺寸的漩涡主要引起湍流动量的扩散。大涡模拟的主要思想是把包括脉动在内的湍流瞬时运动通过某种滤波方法分解成大尺度运动和小尺度运动两部分，大尺度的对平均流动有明显的影响，而小尺度的则通过非线性的作用对大尺度的运动产生影响。小尺度的通过亚格子模型来建立模拟，而大尺度涡运动是通过数值求解运动微分方程直接计算出来。这种方法的可取之处在于通过较少的湍流模化程度减少湍流模化过程中可能带来的误差，从而获得更可靠的解。虽然在理论上大涡模拟有很多的优点，但是，目前这种方法还仅仅应用于简单的几何流道，在一些形状比较复杂的流道中，还不是很成熟，主要原因是成功的大涡模拟往往基于高阶空间离散，使解中能体现所有尺度大于“亚格子”的含能大涡的运动信息；同时，大涡模拟对计算机资源的要求很高；另外，大涡模拟中的壁面函数的近似处理也需要进一步的探讨。三、应力模型其中一种模化方法就是“应力方程模型 ，处理思想就是直接求解雷诺方程。在对方程中一些项做一定的代数假定后，可以获得封闭的方程组，从而求解。由于变量和方程数目增多，所需计算机内存增加，计算的速度也要求提高，因此这种方法很烦琐。而基于同一思想的另一种“代数应力模型”避免了复杂的偏微分方程组的求解，将雷诺应力方程简化为代数方程。这类方法的精度在很大程度上取决于对在压力应变项和耗散应变项的模化，对它们的模化过程中同样需要一些假设。但由于这类方法可以考虑湍流脉动的各项异性，所以在工程界中被认为是一种很有潜力的方法。四、涡粘模型在应用雷诺方程与连续方程解决湍流问题时由于雷诺方程中增加了6 个未知的雷诺应力项而形成湍流基本方程的不封闭问题。因此要应用这些方程必须首先解决封闭问题。根据湍流的运动规律以寻求附加的条件和关系式从而使方程封闭可解就是近年来所形成的各种湍流模型。随着电子计算机的迅速发展，湍流模旋转喷射泉的启动特性及内部流场研究型的研究已成为近年湍流研究中发展最快的一个分支，成为解决工程实际湍流问题的一个有效的手段。它包括了零方程模型、一方程模型和双方程模型。目前，工程中得到广泛应用的是双方程七一湍流模型。2 2 七一双方程紊流模型七一双方程紊流模型又分为以下三种模型：标准七一模型、r n g 七一模型、r e a l i z a b l e 七一模型3 2 3 3 1 。2 2 1 标准七一占模型它是通过联立湍动能k 和耗散率占的运输方程，并建立它们与湍流粘性的关系。它是由l a u n d e r 和s p a l d i n g 3 钔于1 9 7 2 年提出的。表示湍动耗散率的e 被定义为：；丝( 争( 警( 2 7 )pd 文k戤湍动粘度以可表示成k 和的函数，即：以。肛。生( 2 8 )其中，c p 为经验常数。与k 和对应的输运方程为：p 警5 毒【c 肛+ 簧卜