（流体机械及工程专业论文）导叶立式自吸泵设计、数值模拟及试验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本论文在对目前自吸泵研究成果总结的基础上，提出了新的设计方法，设计 了一台导叶立式自吸泵，改进并简化了自吸结构，提高了泵的使用可靠性，取得 了一定的成果。虽然目前应用传统的离心泵设计理论来设计导叶离心泵已经很成 熟，但对影响导叶自吸泵自吸性能的因素还不清楚，主要根据经验来选取参数， 对其内部流场流动规律的研究不多。因此利用a n s y s i c e m 和c f x 软件，采用 大涡模拟方法，对导叶立式自吸泵内部流场进行了分析研究，并对其泵体进行了 优化设计，最后制造出模型泵实型，进行实验验证。本文的主要工作如下： ( 1 ) 总结了自吸泵的研究现状和前人的研究成果，提出了一种新型的导叶立 式自吸泵的设计理论及方法，并设计了一台导叶立式自吸泵模型，属于外混式自 吸泵，叶轮为闭式叶轮，不设蜗壳。叶轮后能量的转换在导叶流道内部完成。 ( 2 ) 利用p r o e 对泵流道进行三维实体造型，简要介绍了网格生成技术，选 用四面g t q 乍结构网格，并利用a n s y s 提供的软件i c e m 进行网格划分。 ( 3 ) 利用c f x 软件对泵内三维定常单液相流场进行了数值模拟，得到了内 部流动特征。对泵内气液两相进行了数值模拟，显示了自吸时气液两相流场分布 情况。应用大涡模型( l e s ) 进行了三维非定常数值模拟，对泵内非定常压力脉动 情况进行了监测，结果表明：泵内的压力脉动呈现有规律的周期性变化，流体的 脉动幅值从叶轮向出口逐渐减小，叶轮转频始终是影响压力脉动的主要因素。最 后对不同流量下的压力脉动进行了对比，发现偏离最优工况运行时，压力脉动幅 值都有所增大，并且大流量工况要优于小流量工况。 ( 4 ) 采用c f x 软件对不同工况下的模型泵内部流动进行数值模拟，得到了 外特性变化规律。利用正交优化方法研究了主要参数对性能影响的主次顺序，并 找到了最优的参数组合。 ( 5 ) 对导叶立式自吸泵做了性能试验，与性能预测结果进行了对比。通过试 验研究，验证了导叶立式自吸泵的设计方法的合理性。同时，与数值计算结果比 较，肯定了所选模型及计算方法的正确性。 关键垌：导叶立式自吸泵，性能预测，正交设计，大涡模拟，试验研究 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t o nt h eb a s i so fc o m p r e h e n s i v es u m m a r i z eo ft h er e s e a r c hr e s u l t so fs e l f - p r i m i n g p u m p ，t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dan e wd e s i g nm e t h o d ，a n dd e s i g n san e wt y p eo f s e l f - p r i m i n gp u m pn a m e dv a n es e l f - p r i m i n gv e r t i c a lp u m p ，i m p r o v e sa n ds i m p l i f i e s t h es t r u c t u r eo fs e l f - p r i m i n g ，r a i s e st h er e l i a b i l i t yo ft h ea p p l y i n go ft h ep u m p ，a n d f i n a l l ya c h i e v e sc e r t a i nr e s u l t s a tp r e s e n t ，w eh a v ee x p e r i e n c e dd e s i g n e dt h ev a n e c e n t r i f u g a lp u m pu s i n gt h et r a d i t i o n a ld e s i g nt h e o r yo fc e n t r i f u g a lp u m pf o rm a n y y e a r s ，b u tt h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h es e l f - p r i m i n gp e r f o r m a n c eo fv a n es e l f - p r i m i n g v e r t i c a lp u m ph a v e n tb e e nu n d e r s t o o d w em a i n l yd e p e n do ne x p e r i e n c et oc h o o s e t h ep a r a m e t e r s ，a n dt h ew o r k st or e s e a r c ht h el a wo ft h ei n t e r n a lf l o wf i e l da l ev e r y s h o r t t h e r e f o r e ，b yu s i n ga n s y si c e m ，c f xa n dw i t hl a r g ee d d ys i m u l a t i o n m e t h o d ，t h ef l o wf i e l di nt h ev a n es e l f - p r i m i n gv e r t i c a lp u m pw a sa n a l y s i s a n d o p t i m i z a t i o nd e s i g no fp u m pb o d yw a sa l s oc a r d e do u t ，a n dt h e nt h em o d e lp u m pw a s p r o d u c e d ，e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ep u m pw a sd o n et oc o m p a r et ot h es i m u l a t i o n r e s u l t s t h em a i np o i n t so fm yw o r ka r eo u t l i n e da sf o l l o w s ： ( 1 ) s u m m a r i z e dt h ep r e s e n ts t a t eo ft h er e s e a r c ha n df r u i t so ff o r m e r sr e s e a r c h ， b r o u g h to u tan e wd e s i g nt h e o r ya n dm e t h o do fv a n es e l f - p r i m i n gv e r t i c a lp u m p ，a n d d e s i g n e dan e wt y p eo fs e l f - p r i m i n gp u m p ，t h i sn e wp u m pb e l o n g st ot h eo u t e r g a s - l i q u i dm i x i n gt y p e ，a n dt h ei m p e l l e ro ft h ep u m pi sc l o s e ds t y l ea n dh a s n ts e tt h e v o l u t ec a s i n g a n dt h et r a n s f o r m a t i o no fe n e r g yb e h i n dt h ei m p e l l e rw a sc a r d e d t h r o u g hi nt h ev a n er u n n e l ( 2 ) t h et h r e e d i m e n s i o n a lo b j e c t so ff l o wr u n n e rw e r em o d e l e db yu s i n gp r o e ， a n dm e s hg e n e r a t i o nt e c h n i q u ew a sb r i e f l yi n t r o d u c e d ，t h en o n s t r u c t u r a lt e t r a h e d r o n m e s hw a ss e l e c t e d ，a n dt h em e s hw a sg e n e r a t e db ya p p l y i n ga n s y s - i c e m ( 3 ) t h e3 一ds i n g l el i q u i dp h a s es t e a d yf l o wf i e l di nt h ev a n es e l f - p r i m i n gv e r t i c a l p u m pw a ss i m u l a t e dn u m e r i c a l l yb yu s i n gc f x , a n di t si n t e r n a lf l o wc h a r a c t e r i s t i c s w e r eg a i n e d t h eg a s l i q u i dt w op h a s e si nt h ep u m pw a sc a l c u l a t e d ，a n dt h e g a s l i q u i dt w op h a s e sf l o wf i e l dd i s t r i b u t i o ni ns e l f - p r i m i n gc o n d i t i o nw a sd e s c r i b e d 3 一du n s t e a d yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sd o n eb yu s i n gl a r g ee d d ym o d e l ，a n dt h e 1 i 江苏大学硕士学位论文 u n s t e a d yf l u c t u a t i o nc o n d i t i o n si nt h ep u m p w e r em o n i t o r e d ，t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o w ： t h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o ns h o w e dar e g u l a rc y c l i c a lc h a n g e ，t h ef l u c t u a t i o no b v i o u s l y b e c o m e ss m a l l e ra st h el i q u i df l o w e df r o mt h ei n l e tt ot h eo u t l e to fp u m p f i n a l l y , t h e p r e s s u r e f l u c t u a t i o no fd i f f e r e n tf l o wr a t ew a sc o n t r a s t e d ，i tw a sf o u n dt h a tt h e f l u c t u a t i o nb e c o m e ss t r o n g e ra st h ef l o wr a t ei sf a rf r o mo p t i m u m o p e r a t i o np o i n t ，a n d t h ec o n d i t i o no ft h el a r g ef l o wr a t ew a sb e t t e rt h a nt h es m a l lf l o wr a t e ( 4 ) i no r d e rt og e tt h ee x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i cr u l e s ，t h ei n t e r n a lf l o wf i e l d so f m o d e lp u m pu n d e rd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n sw e r es i m u l a t e d t h ei m p o r t a n to r d e r so f p a r a m e t e r si n f l u e n c e st op e r f o r m a n c e sw e r eo b t a i n e d ，a n dt h eo p t i m a lp a r a m e t e r s c o m b i n a t i o nw a sg o tt h r o u g ho r t h o g o n a lo p t i m i z a t i o nm e t h o d ( 5 ) p e r f o r m a n c et e s to fv a n es e l f - p r i m i n gv e r t i c a lp u m pw a sa c c o m p l i s h e d ，a n d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ec o n t r a s t e dt ot h ep e r f o r m a n c ep r e d i c t i o nr e s u l t s t h e d e s i g nm e t h o do fv a n es e l f - p r i m i n gv e r t i c a lp u m pw a sp r o v e dr e a s o n a b l et h r o u g h e x p e r i m e n t a ls t u d y a n dt h ec o n t r a s t e dr e s u l t sa s s u r e dt h ec o r r e c t n e s so ft h es e l e c t e d m o d e l sa n dc a l c u l a t i o nm e t h o d k e yw o r d s ：v a n es e l f - p r i m i n gv e r t i c a lp u m p ，p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n ，o r t h o g o n a l d e s i g n ，l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t a ls t u d y i i 江苏大学硕士学位论文 吼：流量，m 3 h 日：扬程，m n ： 转速，r m i n ，l s ：比转速 b 2 ：叶轮宽度，m m d 2 ：叶轮外径，m m d ：叶轮进口直径，r n l n d d ：叶轮出口直径，蚴 z ： 叶片数 d 3 ：基圆直径，m i l l 如：导叶进口宽度，m m a o ：进口安放角，。 j l ：导叶高度，m n l b 4 导叶出口宽度，m i l l z d ：叶片数 d 4 ：导叶出口直径，m m e ：相对误差， g ：重力加速度，m s 2 p ：密度，k g m 3 “：x 方向速度，m s ，：y 方向速度，m s w ：z 方向速度，m s j ：湍流强度， 七：湍动能，m 2 s 2 ：水力直径，m z ：湍流长度尺度，m s ：湍动能耗散率，m 2 s 3 符号表 i v a ：相体积分数， 风：气液混合密度，k g m 3 喀：气泡相颗粒直径，t u r n a ：进口面积，m 2 d ：流动区域 西：计算变量 c s i 亚格子系数 p ：功率，k w ：角速度，r a d s 乃扭矩，n m ：泵进口总压，p a p o u t ：泵出口总压，p a 风d h ：雷诺数 u ：速度矢量，m s ：轴面速度，m s 叩：效率 桃：水力效率 枷：容积效率 ：机械效率 ：动力粘度，p a s y b ：叶片包角，。 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， 同意学校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。 不保密彩 学位论文作者签名：别；7 知 指导教师签名： 妒7 年，2 月，z 日 跏 年i 卧日 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。除文中己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：妄j ；7 九 日期：川年，胡7 z 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 自吸泵具有使用方便，工作可靠，便于远程集中控制、实行自动化操作等优 点，因此它广泛用于农业、消防、市政、电力、矿山、化工等部门，尤其适合用 于流动排灌、移动工作、启动频繁和灌液困难等场合【1 1 。 自吸泵较常用的是内混式、外混式和射流式三种型式。外混式绝大多数在运 行时不堵回流孔，造成泵效率和扬程偏低、能耗高，这种状况有待进一步改善。 内混式自吸离心泵的回流管通常采用带弹簧的橡胶活塞结构，一般在自吸泵完成 自吸过程后靠手来拧紧螺栓，以堵住回流孔提高自吸泵的效率，但不利于实现自 动控制。另外，带有回流孔的普通自吸泵，还存在其他缺点，如其泵体结构复杂、 笨重；泵体底部的回流孔在正常工作时有回流现象，降低了泵的效率；在输送有 杂质的介质时回流孔容易堵塞。射流自吸泵制造成本高而效率较低，但泵的流量 一扬程曲线很陡，流量一功率曲线也很陡，因而不会出现过载的问题。 由于传统自吸泵具有一定的缺点，开发新型的自吸泵成了自吸泵研究的趋势 之一。近年来，一些学者和研究人员开发出了一些新型自吸泵，导叶自吸泵便是 其中一种。它属于外混式自吸泵，泵体结构简单、紧凑。叶轮类型为离心式，主 要依靠气液分离室和导叶来实现自吸。导叶自吸泵具有接近相同参数普通离心泵 的效率指标，由于泵体采用导叶式蜗壳，有利于减少径向尺寸，高效节能。占地 面积小，减小厂房以及土建投资，节约投资成本。 本论文在对目前的自吸泵研究成果总结的基础上，提出了新的设计方法，改 进并简化了自吸结构，提高了泵的使用可靠性，取得了一定的成果。虽然目前应 用传统的离心泵设计理论来设计导叶离心泵已经很成熟，但是对影响导叶自吸泵 自吸性能的因素还不清楚，主要根据经验进行参数的选取，并且对其内部流场流 动规律的研究不多。本文通过c f d 对模型泵性能进行了预测对比，分析了其性 能的影响因素，并对内部流场进行了数值模拟，并与实验结果进行了对比分析， 本研究可以为优化设计和提高性能提供参考。 江苏大学硕士学位论丈 1 2 国内外研究现状 1 2 1 白吸泵设计与试验研究现状 自吸泵在我国起步较晚，我国自吸泵的发展经历了3 个阶段。2 0 世纪6 0 年 代开始投产，7 0 年代丌始推广应用，该阶段自吸泵基本不堵回流孔，泵效率偏 低。1 9 8 4 年b p 系列自吸喷灌泵通过科研鉴定，联合设计中有8 种内混式自吸泵。 采用橡胶钢球阀自动丌关堵回流孔，泵效率等性能参数大幅度提高。2 0 世纪9 0 年代中期，外混式自吸泵弹性橡胶阀自动开关堵回流孔成功，外混式自吸性能也 达到内混式水平。为降低成本，简化结构，提高可靠性，普遍开始转产外混式。 近2 0 年来自吸泵发展很快，在小型泵领域中，它正朝着高速小型，高扬程，自 动控制的方向发展【。 目前我国自吸泵结构型式主要有单层蜗壳、双层蜗壳及导叶结构。从性能上 讲，双层蜗壳、导叶结构自吸性能较好，效率较高，但结构复杂。国内生产自吸 泵的口径一般为3 2 2 0 0m m ，扬程1 0 一8 0m 。近几年，湖南省农机研究所与茶陵 喷灌机厂等研制的低比转速b p z 型喷灌自吸泵自吸性能好，吸程5 米高，自吸 时间小于6 0 秒；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装角( 达5 0 度) 、增大叶片出口宽度( 实际取值较理论值增 大2 。3 毫米) 、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。 国外对自吸泵的研究较早，已经取得了一定的成果。德国是世界上最早研究 开发白吸泵的国家，德国西门子公司早在1 9 1 7 年首次就研制出内混式自吸泵。 日本自1 9 3 0 年开始研制自吸泵。但是自吸泵大量在市场上出现是在五十年代初 期以后。英国卡鲁捷尔斯公司曾生产过一种循环型自吸离心泵，在其压出侧有一 个蓄水室，蓄水室内的液体能够通过专门的孔道进入叶轮及其四周，由于液体的 循环而抽除空气，从而实现泵的自吸作用。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、外混双层蜗壳结构，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，进口大多 数装有拍门( 逆止阀) ，轴封采用机械密封。目前国外发达国家自吸泵在自吸时间、 2 江苏大学硕士学位论文 自吸高度和可靠性方面独有见长，泵的效率也普遍略高于我国【2 】。 目前国外自吸泵的最大口径为6 0 0 m m ，最大自吸高度为9 m ，自吸时间只有 5 0 6 0 s ，最高转速为8 0 0 0 r m i n ，最高扬程达1 5 0 m ，国外的自吸泵多采用机械密 封，且多为单端面结构，摩擦副材料为陶瓷对碳化钨，钨铬钻合金对石墨，在含 砂较多的情况下使用时用碳化钨对碳化钨，压紧弹簧用不锈钢制造【3 】。 从国外看，日本生产的自吸泵品种规格较多，其离心式自吸泵最大口径达 3 0 0 m m ，如日本寺田制作所的e p 1 1 型自吸泵【4 1 。9 0 年代，日本蕊原制作所生产 了一种排残水用的e b q 型射流自吸泵，其装有独创的吸水喷射器，能消除一般 自吸泵自吸运转时的喘吸运转现象。排残水时可连续平稳地运转【3 1 。日本近年还 制造出了一种结构新颖的p 型自吸泵，泵壳内按相反方向安装着两个叶轮，两个 叶轮之间的流体通道是靠一种特殊的导叶来完成的，两叶轮装向相反，轴向力完 全平衡，运转平稳，效率较高。英国新研制了一种新型自吸泵，它的特点是自吸 泵的气液分离室从泵的吸入口侧移到泵的后面，从而减少由于进口扰流引起的摩 擦损失，提高了泵的吸程和缩短了自吸时间【4 】。 在理论与试验研究方面，许多中外学者先后进行了大量的研究，取得了很多 成果。国外对于自吸泵的研究较早，1 9 7 9 年，德国人a l f r e dw e l t e r 5 】在离心自吸 泵的设计方面进行了较为深入的研究。1 9 8 5 年，r o s s i 和m a r k j 【6 】对于自吸泵的 研究现状及应用前景进行了分析和预测。2 0 0 0 年，h u b b a r d 7 对扭曲叶片泵的自 吸性能进行了分析，得出的结论对于自吸泵的设计有一定的参考意义。2 0 0 3 年， g o d w i np u m p sl i m i t e d 的顾问工程i ) $ j o h ns h e p a r d t 8 1 对自吸泵的发展进行了总结， 并对半自动和自动自吸泵作了分析。2 0 0 4 年，g o u l d sp u m p s 的应用工程师j o h n k a n u t e l 9 1 ，对离心自吸泵进行了全面的分析，从操作的基本原理到详细的蜗壳和 扩散管的设计方法及自吸离心泵使用时的特殊考虑等各方面进行了深入的研究。 国内在自吸泵研究方面虽然起步较晚，但许多学者积极吸取国外的经验，并 结合国内的实际情况，在自吸泵设计和试验方面做了大量有益的研究工作。早在 1 9 7 9 年，王耀纠1 0 l 就对一种低比转速自吸泵的设计方面做了可贵的尝试，并对 于模型的合理性进行了试验的验证。1 9 8 2 年，李天宝【1 1 l 细致分析了回流孔对自 吸泵性能的影响并对弹性阀的设计进行了研究。1 9 8 7 年，范宗霖【1 2 1 对外混式自 吸离心泵自吸性能的计算方法进行了一定的研究和探讨。1 9 9 2 年仪群【1 3 1 通过一 3 江苏大学硕士学位论文 系列的对比，分析了白吸泵自吸性能与比转数关系，为自吸泵的优化设计提供了 参考。1 9 9 5 年，浙江义乌石油油泵厂的陈茂庆、陈超【1 4 】利用正交试验分析了自 吸泵最大自吸高度的影响因素，为确定各影响因素的最佳配合提供了依据。1 9 9 6 年，大连耐酸泵厂的张：芷臣、刘培成【1 5 】讨论了d u h 自吸泵的自吸原理，对其设 计方法做了初步探讨，并列举了实例。2 0 0 2 年，郭晓梅、杨敏官、王春林【4 】对自 吸泵的现状进行了全面的调研，对各种自吸泵性能及其影响因素进行了系统的分 析研究，得出了影响自吸泵性能的因素，对于自吸泵的设计具有一定的指导意义。 2 0 0 3 年，潘中永、曹卫东、李安虎【1 6 1 等研制了一种导叶式自吸泵，该泵的主要 零部件的结构型式简单。性能试验表明，自吸性能良好，扬程曲线平坦，是理想 的喷灌用泵。2 0 0 5 年，沙毅、施卫东、康灿f 1 7 】对如何提高农用自吸泵性能作了 试验研究，并在试验基础上提出了提高自吸泵性能的设计方法。2 0 0 7 年，陈祥 云【1 8 】对目前市场常见的立式自吸泵的结构缺陷进行了分析，提出了一种改进结 构设计的立式自吸泵。经对比分析，指出了新型立式自吸泵的结构优点。 国内对自吸泵的研究与国外还是有一定的差距的，国内泵的研究工作者应该 积极学习国外的研究成果和经验，把自吸泵的研究引向深入。另外，国内外对于 自吸泵的研究主要集中于内混式、外混式和射流式，而对于其他类型自吸泵的研 究甚少。由于导叶自吸泵具有结构简单、紧凑，高效及不易堵塞，工作可靠性高 的优势。所以，导叶自吸泵的研究将成为研究趋势之一。 1 2 2 数值模拟研究现状 近年来，随着商用计算流体力学软件的迅速发展，应用c f d 对流体机械进 行数值模拟，对其内部流场进行研究以及对其性能进行预测变得日益广泛。可是 由于自吸泵内部结构较为复杂以及c f d 软件的自身模型的限制，对自吸泵进行 数值模拟特别是气液两相模拟的研究较少。 对叶轮机械内流的计算，早在上世纪四十年代末五十年代初，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，一般认为始于吴仲华教授m s l 、s 2 两类相对流面理论【1 9 1 ，叶轮机械内流无粘 数值模拟才获得迅速发展。七十年代中期以后，考虑真实流体粘性效应的数值模 拟受到人们的重视。自八十年代以来，离心泵叶轮内流的计算有了较大的发展。 在上世纪九十年代，用湍流模型求解叶轮机械内部湍流场的成果很多 2 0 - 2 4 1 ， 4 江苏大学硕士学位论文 大多用有限差分法求解七一湍流模型或各种改进的模型，这些成果绝大多数是 针对气体流场的，计算对象是燃气轮机、压气机、航空推进器等。目前，对不可 压流体而言，数值求解n s 方程使用较多的方法是压力校正法( p c ) ，其中使用最 广泛的是压力速度校正法( p v c ) 。1 9 7 2 年，p a t a n k a r 和s p a l d i n g 【冽提出s i m p l 王! 算 法，其含义为“求解与压力耦合的方程组的半隐式方法”。随后又出现了多种改 进的型式，如s i m p u r 、s i m p l e c 、s i m p l e s t 、d a t e 的改进方案 2 6 - 2 8 1 。上述研 究取得相当的成功，叶轮的流动分析取得了巨大的进展。以水为介质的水力机械 内部湍流流场分析也得到空前的发展，清华大学、华中科技大学、江苏大学、上 海大学、兰州理工大学等科研院校都对泵、风机、压缩机等流体机械展开大量的 c f d 研究工作。 在具体的研究中，国内外许多学者都对c f d 做了一系列深入的分析和探索。 1 9 7 7 年，h a m e d 等【2 9 】在假定流体无粘、无旋的条件下，使用差分法对压气机蜗 壳内通过转轴两个径向平面间的可压缩流场进行了计算。1 9 8 6 年，t a n a b e 3 0 l 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紊流流动。1 9 8 8 年，高忠信、许协庆【3 1 】在假定流体理想、不可压缩、流场无旋的条件下，采用 有限元法计算了蜗壳和固定导叶内部的三维流动。他们应用前人提出的方法处理 多连通区域，并将这一方法引申来处理周期性边界条件。 1 9 9 0 年，林斌良、许协庆【3 2 l 使用有限元法计算了水轮机转轮内部三维层流 和湍流流场，提出了有限元法在处理复杂边界形状和边界条件时比有限体积法要 容易的观点，并认为采用流线迎风格式可以克服数值波动，采用压力流速修正 法可以满足不可压缩条件。1 9 9 6 年，吴玉林、韩海、曹树良【3 3 】用压力速度校正 法求解了水轮机内全三维紊流场，并预估了水轮机的水力效率。并且利用其程序 计算了一个9 0 1 强弯管内部的紊流流动， 验证了算法及程序的可靠性。1 9 9 8 年， 并与试验结果进行了定量的分析比较， 曹树良、杨辅政、吴玉林刚认为七一s 双 方程紊流模型因其引入了各向同性假设，通用性较差。对于水轮机或泵内部流动 而言，由于流道曲率较大，再加上旋转效应，必然导致内部流动具有较强的各向 异性，可以使用代数应力模型来进进行模拟。 2 0 0 2 年，刘厚林、袁寿其、施卫东【3 5 】等对双流道叶轮内湍流流场的数值模 拟做了有益的探讨。首次揭示了双流道泵叶轮内湍流流动的速度分布、压力分布 5 江苏大学硕士学位论文 和湍动能分布规律。2 0 0 5 年，陈党民、李新宏、黄淑娟【3 6 】对于部分流泵整机非 定常流动数值模拟进行了研究。提出了对于内流比较复杂的，非定常特性强烈的 泵，使用定常计算无法真正反映其内流状况。这时应采用滑移网格技术进行非定 常的数值计算。2 0 0 6 年，黄思、吴玉林【3 7 】对离心泵全三维流场进行了大涡数值 模拟。他们认为大涡模拟要优于通常的k s 湍流模型，因为其不仅能够像k 一占模 型那样计算出流动的时均规律，而且能够较准确地描述流动中的不对称特性。 2 0 0 7 年，王春林、李婷婷、马庆勇【3 8 】等采用双流体模型对叶片式渣浆泵叶轮内 固液两相流场进行了细致的分析和研究，揭示了固体相的颗粒分布规律和运动 规律，有助于了解叶轮磨损的主要区域和磨损规律。2 0 0 8 年，王春林、司艳雷、 郑海霞【3 9 1 等采用标准k - e 湍流模型对设计工况下的旋流自吸泵叶轮和蜗壳耦合 的三维不可压缩湍流流场进行了数值模拟，得到了其内部流场的压力分布和速度 分布情况。 与传统流动测试方法相比，c f d 具备速度快、数据完整、费用低等显著优 点。随着高速、大容量、低价格计算机的相继出现，以及商品化软件包，如 f i ，1 7 e n t 、c f x 、s t a r c d 、p h o e n i c s 、f l o t r a n 等的迅速发展，c f d 方法 的可靠性、准确性、计算效率得到了很大提高。近几年，湍流计算方面的理论研 究正逐步成熟，学习教程也逐渐增多，科研人员也积累了一定的计算经验，泵的 数值模拟和三维优化设计成为当前国内外最活跃的研究领域之一。 1 3 本课题研究内容、目的及意义 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 查阅相关资料，在前人工作基础上，选用合适的设计方法，设计出要求 的导叶立式自吸泵。 ( 2 ) 应用三维造型软件p r o e 对设计出的导叶立式自吸泵进行三维造型，为 以后导叶立式自吸泵的内部流场模拟做准备。 ( 3 ) 利用网格生成软件i c e m 进行网格的划分，选用合适的模型，基于大涡 模拟方法，应用c f x 软件对导叶立式自吸泵内部流场进行全三维数值模拟，并 以图像形式显示计算结果，获得速度分布、压力分布等信息，并研究了泵内脉动 情况。 6 江苏大学硕士学位论文 ( 4 ) 运用c f x 软件的报告后处理功能对导叶立式自吸泵进行性能预测，并 通过对同一参数设置对比模型，对其性能曲线进行对比，分析对导叶立式自吸泵 的性能影响因素。基于正交设计法，对于导叶立式自吸泵的影响因素做了分析， 并得到了最优的设计方案。 ( 5 ) 对导叶立式自吸泵进行性能测试试验，将试验数据和数值模拟的结果进 行分析、比较，得出结论，为以后的研究提供依据。 1 3 2 研究目的及意义 本文的研究目的在于，通过大涡数值模拟获得导叶立式自吸泵较为详细的速 度分布、压力分布等流场分布情况，掌握其更为真实的内部流动规律。通过性能 预测，基于正交设计法，探讨了导叶立式自吸泵的优化设计方法。并通过性能试 验研究，分析数值模拟与试验研究的误差原因。 本文通过对导叶立式自吸泵内部流场进行数值模拟，正交优化设计及性能试 验研究，掌握了其实际运行时的内部流场情况，分析了其性能影响因素。不仅丰 富了导叶立式自吸泵的理论，为以后的导叶立式自吸泵流动规律的理论研究提供 参考，而且为导叶立式自吸泵设计方法的优化提供了依据，具有一定的工程实际 意义。 7 江苏大学硕士学位论丈 第二章导叶立式自吸泵的设计及三维造型 2 1 导叶立式自吸泵的设计 导叶立式自吸泵作为一种新型白吸泵类产品，具有高效节能、结构简单紧凑 等显著特点。虽然目前应用传统的离心泵设计理论来设计导叶离心泵已经很成 熟，但是对影响导叶白吸泵自吸性能的因素还不清楚，主要根据经验进行参数的 选取。我国对该泵的参数的选取还处于探索阶段，因此该方面的理论体系的形成 乃至成熟是今后导叶立式自吸泵发展的一个重要方向。针对这种情况，在前人研 究的基础上，本文通过对导叶立式自吸泵性能的分析和工作机理的研究，探讨导 叶立式自吸泵的优化设计方法，以期对今后新型导叶立式自吸泵的研究、开发提 供有益的参考。 2 1 1 导叶立式自吸泵工作原理 图2 - 1 导叶立式自吸泵结构图图2 2 叶轮中心面剖视图 本文研制的导叶立式自吸泵属于外混式自吸泵，叶轮为闭式叶轮，不设蜗壳。 叶轮后能量的转换在导叶流道内部完成，其结构为泵体进出口处在同一水平线 上，进水口朝上，气液分离室设在叶轮和导叶上方，导叶与泵体之间的空间能够 保证气液分离过程充分进行，泵体内部安装一个闭式离心叶轮，叶轮的外部为导 叶，如图2 1 、图2 2 所示。 泵起动前，泵体内储存一部分循环液体，使叶轮和导叶浸没于液体，而吸入 8 江苏大学硕士学位论文 管充满着空气，这样就把泵进口和出口完全隔开。我们可以把自吸过程分为： 气液混合；气液分离；自吸循环液体的再循环过程；正常工作过程。 气液混合过程是由于叶轮高速旋转而在叶轮与导叶之间形成强烈紊乱现象 时完成的。叶轮与导叶之间的间隙很小，因此，可以把每片导叶看作一个蜗壳泵 的隔舌，导叶轮看作在叶轮周围安装了7 个蜗室，也可以把蜗室看作只有一个叶 片的导叶，水在该处以极高的速度运动，从某种意义上说每一隔舌处即像一台抽 气机把气体高速抽走，从而与高速流动的液体形成气液混合物。 气液分离过程是在导叶出口与分离室中完成的。气液混合物经导叶排到分离 室，在极短的扩压器式导叶流道里减速，很好地消除了由旋转叶轮所造成的旋转 运动，进入导叶与泵体之间的混合物进一步减速，这时由于空气和液体的密度相 差很大，因此分布在液体里面的气泡便逸出水面，并形成大量泡沫，借助混合物 的上升运动升至分离室，泡沫的不断破裂使空气逸出，分离出来的气体排出泵体， 自吸循环液体由于自身的重力和真空吸力重返导叶。 再循环过程是指气液分离后的水回到导叶再参与气液混合的过程。脱气后返 回的液流与从导叶流道流出的混合物的流动方向相反，能进一步加快气液混合的 过程。自吸循环用水的再循环是在各导叶中进行的。由于水泵高速旋转，上述各 过程是连续且同时进行的嗍。 正常工作过程是在泵内空气全部排除后开始的。由于吸入管道内气体不断被 抽出，因此出现相对真空，在大气压的作用下，管道内的水位就随之升高，当液 体达到叶轮吸入口时，泵就开始正常工作了。 2 1 2 主要尺寸的确定 设计参数：流量q v = 1 3 5 m 3 h ，扬程h = 2 5 m ，转速n = 2 9 0 0 r m i n ，比转速n r = 5 8 。 导叶立式自吸泵属于外混式自吸泵，泵体结构简单、紧凑。叶轮类型为离心 式，其结构为泵体进出口处在同一水平线上，进水口朝上，轴封安装在进口低压 处，利于密封，减少泄露，并有利于减少径向尺寸，占地面积小，减小厂房以及 土建投资，节约投资成本。目前广泛应用的内混式或者外混式自吸泵结构复杂， 铸造困难，这是自吸泵的最大弱点。本文开发了一种新型的自吸泵，主要部件的 结构简单，便于采用压铸等先进的制造工艺加工成型，而且性能优良。 该泵的叶轮设计与普通离心泵的设计类似，导叶结构比较特殊，主要是通过 9 江苏大学硕士学位论文 导叶与叶轮之间的间隙来实现自吸，导叶流道在自吸过程中具有回流孔的功能， 所以导叶内的流速比普通离心泵低，叶轮流道内的流速也要相应降低。下面是叶 轮和导叶主要参数的计算公式，其余尺寸的设计与普通离心泵类似。 1 叶轮几何参数的设计【4 1 l ( 1 ) 叶轮出口宽度的确定 叶轮出口宽度可以根据如下经验公式得到： 吃2 z 鲁( 2 - 1 ) 式中：留v _ 设计流量，m 3 s 川一转速，r m i n ；r ( b 2 - - 经验系数，瓦：= 0 8 6 盖 ( 2 ) 叶轮外径的估算 叶轮外径可按经验公式进行估算 d 2 ：丝( 2 - 2 ) 式中：月- 一泵的设计扬程，m ；经验系数z = 1 9 7 ( 蠢p “6 ( 3 ) 叶轮进口直径的确定 叶轮进口直径可按下式确定 d ，= k 摆 ( 2 - 3 ) 自吸泵在工作时有一定的吸上高度，叶轮入1 3 压力较低，叶轮需要有较高的 汽蚀性能，取系数k 。= 5 0 巧3 。 ( 4 ) 叶片数的选择 从自吸方面考虑，叶轮叶片数应少一些，这样能使冲刷射流更深地射入叶轮 叶栅中，带走较多的气液混合物。在叶片包角不变的情况下，叶片数减少时，每 个叶片的负荷增加，对液体的导流作用降低，使泵的效率下降。叶片数可由经验 公式确定： z = k x d 2( 2 4 ) 式中：d ，一叶轮外径，c m ；l o 经验系数，取k = 0 8 。1 4 。 1 0 ：筹：二： 江苏大学硕士学位论文 高，但由于结构原因，间隙不能太小；间隙增大，自吸时间变长，直至无法自吸。 【2 ) 导叶进口宽度( 轴向宽度) 吃 岛通常大于叶轮出e l 宽度垦，至少应有一定的间隙，以补偿转子的窜动和 制造误差。根据设计要求，导叶的坟可以适当放宽，这样，使叶轮前后盖板带动 旋转的液体可通畅地流出压水室，回收一部分圆盘摩擦损失，提高泵的效率。另 外可适应不同宽度的叶轮，提高产品的通用性。通常吃= b 2 + ( 2 - 5 ) ，岛应尽量 取稍小值，这样可以减小轴向尺寸。 ( 3 ) 螺旋线的角度和线型 液体从叶轮出口进入螺旋线部分，在此处液体和涡室里一样按k r = 也( 常数) 的规律流动。 1 ) 导叶进口安放角吃 导叶进口轴面速度。和排挤系数为 导叶进口圆周分速度 k ，= 屹：坞恐 导叶进口液流角钙嵋= t i n ， 为了改善导叶的形状，可取导叶进口角大于液流角，即 吃= 噶+ a a 口= 3 。一8 。 导叶进口角也可近似按下式确定 t g a 3 = ( 1 1 1 3 ) t g 啦 式中嚷叶轮出口绝对液流角。 2 ) 螺旋线部分的线型和涡室螺旋线相同。 披 瑶口= 。 r d 汐 1 2 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 蒜去 一2 一 = 1 r = 江苏大学硕士学位论文 知= 留口却 ( 2 1 2 ) l i l 会= 留伊( 2 - 1 3 ) r = r e 锄妒( 2 1 4 ) 给出不同的伊角( 弧度) ，用上式可算出相应伊角的半径，从而画出螺旋线部 分的平面图。实践证明，决定导叶性能的关键是下述的喉部面积，螺旋线段的形 状对性能影响不大。待喉部面积确定后，该线段可用圆弧酌情画出，不一定逐点 计算螺旋线。 ( 4 ) 导叶喉部面积的确定 表2 - 2 导叶主要参数取值 确定导叶喉部面积 = 口。吃( 口3 喉部平面宽度，魄喉部轴面宽度) 。 喉部面积是关键尺寸，实践证明，喉部面积接近正方形，其效果最好，一般推荐 a 。= ( 1 0 6 ) b 3 。b 3 的变化范围变化很小，可以认为是固定的值。这样欲使喉部 面积成正方形，应选择合适的码，心和半径r 有关，而r 和导叶数z 有关。下 面确定a ，和导叶叶片数之间的关系： 近似地假设曲线三角形a b e 为直角三角形，c 为直角，a h b c 的厶为直角。 由a h b c 足一足= ( a 3 + 8 3 ) c o s a 3a 3 = ( 恐一b ) c o s 吧一磊 式中兄流道螺旋线部分c 点的半径； 4 导叶叶片入口厚度。 抛：动s i n ：垫s i n a 3 z 江苏大学硕士学位论文 肋：& a a ：抛s i n ：2 j 9 3s i n 2 吃 螺旋线方程r ：r p 詈咖2 4 3 由上式解得 z = 些 ( 2 1 5 ) l n 【( 警“】 。 根据上述公式结合离心泵叶轮设计方法，计算得到导叶参数如表2 - 2 ： 根据导叶主要尺寸及