（流体机械及工程专业论文）中央空调循环泵的节能及内部流场模拟.pdf

西华大学硕士学位论文 中央空调循环泵的节能及内部流场模拟 流体机械及工程专业 研究生徐希彬指导教师宋文武教授 摘要 在中央空调系统中，循环泵是夏季输送冷冻水，冬季输送热水至空调木 端的装置。空调循环泵作为中央空调的动力系统，耗电量是相当大的。据统 计，中央空调系统中循环泵的能耗占系统总能耗的1 8 左右。如何降低其能 耗，是关系着国民经济发展的一项重大科研问题。本文详细地对中央空调系 统的节能方案进行了论述，并着重对其循环泵的节能方案进行了研究。而要 提高循环泵效率，扩大其工况范围以及提高其运行可靠性，就必须对泵内部 流动进行深入的分析与研究。 本论文从流体动力学理论基础出发，对中央空调循环泵的运用和性能进 行分析，优化设计与计算出泵的叶轮，利用软件u g 和g a m b i t 对中央空调循 环泵全流道进行了三维建模和网格划分，并利用f l u e n t 软件对循环泵的吸 入室，叶轮及压出室进行了模拟流动计算与分析，得到模拟分析的叶片、叶 轮及泵体的速度分布图、压力分布图和绕流图：通过软件计算出的进口和出 口压差及叶轮力矩，得到了循环泵在不同工况下的效率和效率曲线。分析得 出优化后的循环泵的效率比原泵的效率提高了2 5 。 同时，这种c f d 技术在泵水力设计中的应用可以比较准确地了解泵叶轮 及通流部件内部的水流运动规律，依据三维紊流场的预测结果调整叶轮内的 相关的几何参数，可以保证叶轮内良好的流态，提高叶轮在全运行区域内的 性能。这在中央空调循环泵设计、制造、运行方面具有重要的价值，对整个 中央空调系统的节能是具有十分重要的意义。 关键词：中央空调循环泵c f d 流场分析三维建模性能预测 e n e r g y s a v i n ga n ds i m u l a t i o nt h ei n t e r n a lf l o wo fc e n t r a l a i r - c o n d i t i o n i n gc i r c u l a t i o np u m p f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g m d c a n d i d a t e ：x “x i b i n s u p e r v i s o r ：肌厂s o n gw e n - 删 a b s t r a c t h lt h ec e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，c i r c u l a t i n gp u m pi sc o n v e d n gc h i l l e d w a t e ri ns u m m e ra n dd e l i v e r i n go fh o tw a t e ri nw i n t e rt oa i rt e r m i n a ld e v i c e s a i r - c o n d i t i o n i n gc i r c u l a t i o np u m pp o w e ra sac e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m s ， p o w e rc o n s u m p t i o n i s c o n s i d e r a b l e a c c o r d i n g t os t a t i s t i c s ，t h ec e n t r a l a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mc i r c u l a t i n gp u m pe n e r g yc o n s u m p t i o na c c o u n t e df o rt h e t o t a le n e r g yc o n s u m p t i o no fa b o u t18 h o wt or e d u c et h e i re n e r g yc o n s u m p t i o n ， i sam a j o rr e s e a r c hp r o b l e mo ft h en a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r , t h ee n e r g y - s a v i n gp r o g r a m so fc e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e ma r ed i s c u s s e da n d f o c u so ns t u d i n gi t se n e r g y s a v i n gp r o g r a mc i r c u l a t i n gp u m p c i r c u l a t i n gp u m pt o i n c r e a s et h ee f f i c i e n c ya n de x p a n dt h es c o p eo fi t sw o r k i n gc o n d i t i o na n dt o i m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h ep u m pf l o wm u s tc o n d u c ta ni n d e p t hr e s e a r c h t h et h e o r e t i c a lb a s i sf r o mt h ef l u i d d y n a m i c si n t h i s p a p e r , t h ec e n t r a l a i r - c o n d i t i o n i n gc i r c u l a t i n gp u m pu s ea n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，o p t i m a ld e s i g n a n dc a l c u l a t i o no ft h ep u m pi m p e l l e r , u s eg a m b i ta n du go f3 一dm o d e l i n ga n d m e s hg e n e r a t i o nf o rt h ee n t i r ef l o wo fc e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gc i r c u l a t i n gp u m p ， a n du s ef l u e n tt os i m u l a t i n gt h ef l o wo ft h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i st h e c i r c u l a t i n gp u m ps u c t i o nc h a m b e r 、t h ei m p e l l e ra n dt h ep r e s s u r ec h a m b e ng e tt h e s i m u l a t i o na n a l y s i so ft h es p e e do ft h ei m p e l l e ra n dp u m pb o d yd i s t r i b u t i o n ， p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n df l o wd i a g r a m ；c a l c u l a t et h ei m p o r ta n de x p o r tp r e s s u r e a n di m p e l l e rt o r q u e ，g e tt h ee f f i c i e n c yc u d eo ft h ec i r c u l a t i n gp u m pi nd i f f e r e n t c o n d i t i o n sa n de f f i c i e n c y t h ea f t e r o p t i m i z a t i o no ft h ee f f i c i e n c yo ft h e c i r c u l a t i n gp u m pt h a nt h ee f f i c i e n c yo ft h eo r i g i n a lp u m pt oi n c r e a s e2 5 b y a n a l y z i n g a tt i l es a m et i m e ，t h i sc f dt e c h n o l o g yi nt h eh y d r a u l i cp u m pd e s i g nc a nb e m o r ea c c u r a t eu n d e r s t a n d i n go ft h r o u g h - f l o wp u m pi m p e l l e ra n di n t e r n a lp a r t so f i i 西华大学硕士学位论文 w a t e rm o v e m e n t a d j u s tt h ei m p e l l e rg e o m e t r yo ft h er e l e v a n tp a r a m e t e r sb a s e d o nt h ef o r e c a s tr e s u l t so ft h r e e d i m e n s i o n a lt u r b u l e n tf l o wf i e l d c a ng u a r a n t e ea g o o df l o wp a t t e r nw i t h i ni m p e l l e ra n di m p r o v et h eo p e r a t i o no ft h ei m p e l l e r r e g i o ni n t h ew h o l e p e r f o r m a n c e t h i s i sa l li m p o r t a n tv a l u ei nd e s i g n m a n u f a c t u r e ，o p e r a t i o nc e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gc i r c u l a t i n gp u m p ，a n di sag r e a t s i g n i f i c a n c ei nt h ew h o l ee n e r g y - e f f i c i e n tc e n t r a la i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m k e y w o r d s ：c e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mc i r c u l m i n gp u m p ；c f d ；a n a l y s i so ff l o w f i e l d ；3 - dm o d e l i n g ；p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n ； i i i 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：荔条莽矽莎 导师签名字参我 日 日 p 砂 ? 易 月 月 r j 年 年 v ， ，呷7 西华大学硕士学位论文 西华大学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，西华大学可以将本论文的全部 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 描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密g ，适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：嬲彬指导教师签名：峰象队 日期： 9 叫t 上、， 日期： ? r z 。 西华大学硕士学位论文 1 1 课题的来源及名称 第一章绪论 课题来源：自贡工业泵有限责任公司 课题名称：中央空调循环泵的节能及内部流场模拟 1 2 研究的背景、意义和目的 1 2 1 研究的背景 中国建筑能耗占总能耗的2 7 ，且由于近年来住宅建筑迅速增多，年增 长率高达1 5 ，是二氧化碳的主要排放源。通过燃烧煤炭，天然气，木材， 甚至用电，来为建筑物取暖或制冷。建筑节能是建筑技术发展的一个方向， 也是节能领域的组成部分。世界平均建筑能耗占总能耗的3 7 ，其中，包括 采暖、通风、空调、照明在内的民生能耗又占建筑能耗的8 0 以上。而我国 采暖空调标准远低于国际水平，随着生活水平的提高，建筑能耗，特别是采 暖空调能耗，呈增长趋势。随着我国经济的持续发展，中央空调在商业和民 用建筑中越来越普及，其能耗在社会总能耗中所占比重也在不断上升。一般 中央空调能耗约占整个建筑总能耗的5 0 0 , 6 左右，对于商场和综合大楼可能要 高达6 0 以上，因此节约民用公共建筑空调能耗是刻不容缓的【4 j 。 中央空调能耗一般包括三部分，即1 空调冷热源：2 水或空气输送系 统：3 空调机组及末端设备。而中央空调系统中的循环泵作为输送系统中的重 要一环，不仅起着非常重要的作用，而且耗电量也非常大。空调循环泵的耗 电量占建筑总耗电量的8 一1 6 ，占空调系统耗电量的1 5 - - 3 0 ，耗电量接 近于全楼照明用的电量，所以水泵节能非常重要，节能潜力也比较大【】。 西华大学硕士学位论文 水泵叶轮是影响泵特性的重要部件。叶轮是离心泵的关键过流部件【1 1 ， 其水力设计的主要任务是设计出能保证各项性能要求的高效率叶轮，水泵的 水力性能、振动与空蚀，主要取决于叶轮性能，叶轮性能的优劣对节能与经 济效益的提高有着巨大影响，对国民经济的发展起着举足轻重的推动作用。 随着计算机技术以及计算流体力学等新学科的飞速发展，数值模拟和理论分 析、试验研究一起构成了研究流体流动问题的重要方法。循环泵又称管道泵、 离心泵、管道离心泵、单级离心泵、立式泵、增压泵、热水泵、循环水泵， 多级离心泵等。通过对多级离心泵叶轮内部流体流动的三维粘性数值模拟， 可以分析、预测其水力特性，从而掌握离心泵叶轮内部流体的流动规律，减 少对设计经验和试验数据的依赖，达到缩短研制周期、降低生产成本的目的， 为设计和改进多级离心泵提供了重要依据。另外，多级离心泵叶轮薄叶片、 大包角和流道光滑的特点，决定了其内部流场的复杂性【8 】，因此，对多级离 心泵叶轮三维湍流数值模拟，具有非常重要的理论意义和重大的应用价值。 离心泵叶轮的内部流动是很复杂的三维紊流流动，古今中外，众多学者对其 进行了研究。早在2 0 世纪5 0 年代，一些专家学者就开始尝试使用数值计算 方法来预测叶轮中的流动情况。随着计算机技术的高速发展，计算流体力学 c f d ( c o m p u t a t i o n a l p l u i d d y n a m i e s ) 发展很快，许多商用c f d 软件在离心泵内 流数值模拟上的应用也日见增多。在实验测试手段还不十分完善的今天，研 究采用c f d 方法来数值模拟离心泵叶轮的内流特点，从而进行叶轮的造型和 设计是现代泵技术的重要研究方法【5 1 但是，目前循环泵叶轮内部流场数值 模拟的研究并不十分理想，特别是缺少实验验证本文回顾了循环泵叶轮内 流计算的历史和发展，指出了循环泵内流数值模拟的现状，并采用c f d 计算 软件对离心泵叶轮内部三维紊流进行了数值模拟计算，通过对离心泵内部流 动的数值模拟，可以分析、预测离心泵叶轮内部的水力特性，对进一步完善 泵设计理论、提高泵设计水平、缩短泵开发周期和提高泵的整体效率都是很 有意义的工作，对中央空调系统的节能具有非常重要的经济和社会效益。 预测空调循环泵性能一直是水力机械及流体力学界迫切需要解决的重要 的课题之一。本课题从流体动力学理论基础出发，对中央空调循环泵运用和 2 西华大学硕士学位论文 性能进行分析，优化设计与计算泵的叶轮，提高效率，并运用当前流行的u g 等软件进行几何物理建模，利用f l u e n t ，n u m e c a 等软件进行数值模拟和计算， 分析其内部流体的流动状况，并对计算结果进行分析。对中央空调循环泵的 性能进行分析和预测，以达到中央空调系统的节能的目的。 1 2 2 课题研究的意义 我国经济持续快速发展，产品能耗加大，而空调能耗是众多能耗当中重 要的一部分，节能已成为我国发展的一项基本国策。循环泵不仅在中央空调 系统中大量使用也同时在现代国民经济各部门中有着广泛的应用，如水利工 程，农业工程，市政工程，环境保护，热能工程，航空航天，冶金化工，核 能工程等。尤其是循环泵在建筑、水利、农业部门占主导地位的广泛应用。 这样循环泵的节能与经济效益的提高，对国民经济的发展起着举足轻重的推 动作用。 叶轮是水泵的关键过流部件，其内部流体的流动分析和研究对于提高水 泵的效率，改善水泵的性能具有特别重要的意义。为此必须充分了解叶轮内 部复杂的流场结构，掌握叶轮内部流体的流动规律，从理论和实验两个方面 分析和研究流体在叶轮内部的运动规律，如流场流速分布、压力分布、湍流 特征等等，、以奠定叶轮设计的理论基础。目前普遍用于分析和认识离心泵乃 至整个叶轮机械内部流动的研究方法，主要有以下三种：理论分析、实验研 究和数值模拟。它们各有其特点，并且各有其适用的范畴，由这三种方法构 成了流体力学的完整体系。理论分析的优点是所得结果具有普遍性。其特点 在于科学的抽象，即利用数学方法直接求得所研究问题的理论结果，可以清 晰地、普遍地揭示物质的运动规律。从而用来指导产品的设计方案，同时也 是实验研究和数值模拟这两种研究方法的理论基础。但它的研究对象在物理 性质上必须简化，在几何表现上必须规律，而且常常是针对线性控制方程的。 如我国著名的科学家吴仲华教授提出的叶轮机械内部流动s 。、s ，两类相对流 面理论，这一研究成果对于提高叶轮机械的设计水平具有划时代的意义。但 是，由于受当时数学发展水平所限，理论研究只能局限于简单的数学物理模 型。而叶轮机械内部流道形状非常复杂，各种影响因素以及各组成部件内部 西华大学硕士学位论文 流动的相互作用关系异常复杂。通过理论分析的方法解决各种影响因素之间 的相互作用关系，在短期内几乎是不可能的。因此单靠理论分析的方法远远 不能满足工业发展的需要。这样实验研究就成了早期研究叶轮内部流动的另 一种重要方法。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。另外实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长 等许多困难。此外，实验的手段、数据的精度和可靠性都受到实验仪器性能 和实验环境的影响与制约。这样单凭实验研究不足以完全满足实际生产的需 要。特别对于离心泵叶轮，不但自身旋转，而且叶轮流道的几何形状伴有强 烈的弯曲和扭曲，其内部流动是复杂的三维流动，实测叶轮内部的流动仍然 存在着相当的困难。近年来，随着计算机技术及计算技术的发展，数值模拟 技术( c f d 分析技术) 已广泛应用于叶轮机械内部流动的研究。数值计算突 出的长处是费用少、计算速度快、能给出详细和完整的信息，很容易模拟真 实条件( 特殊尺寸、高温、有毒、易燃等) 和理想条件( 实验中只能接近的) 。 但是，数值计算的离散化处理不仅在数量上影响计算的精度，而且在性质上 还会改变流动的特征。此外，数值计算不仅要依赖于计算机的能力、计算的 可能性及其结果的准确性，而且还决定于合理的数学模型和有效的数值方法。 数值模拟的优点在于能解决理论分析和实验研究无法解决的复杂流动问题。 和实验研究相比所需的费用和时间要少得多，而且有很好的重复性，条件易 于控制。因此，用数值方法研究叶轮内部流场已成为选择设计方案和优化叶 轮设计的一个重要手段。 1 2 3 课题研究的目的 本研究的目的就是根据中央空调循环泵自身特定的流道形式，预测循环 泵的性能，从而进一步提高中央空调循环泵的性能，为其推广使用做一点有 益的工作。通过本项目的研究，可以对循环泵的性能进行预测，并对中央空 调循环泵的叶轮设计提供依据。从而缩短叶轮设计与生产时间，并能够取得 较好的性能，从而能够取得更好的性能和更高的效率，使中央空调系统在循 环泵方面达到节能的效果，为我国的中央空调节能事业做出贡献。 4 西华大学硕士学位论文 1 3 国内外现状和发展趋势 1 3 1 空调系统的发展现状及趋势 能源是国民经济发展的基础资源。随着我国现代化建设的进展、科学技 术的进步和人民生活水平的提高、对能源的需求也迅速增长。能源已成为制 约我国国民经济的重要因素。在8 0 年代初，党和国家就十分重视能源资源的 开发、利用和节约工作，提出了“开发与节约并重，近期把节约放在优先地位， 大力开展以节能为中心的技术改造和结构改革”的能源工作方针。党的十六大 又号召“高度重视节约能源和材料，提高资源利用效率”。虽然我国能源资源 丰富，能源蕴藏量居世界第三位，但由于人口众多，人均能源占有量尚不到 世界平均值的一半，能源利用率低，浪费严重，节能潜力很大。因此，国家 提出“开发与节约并重，近期把节约放在优先地位 的能源工作方针，号召 全国人民节约能源、保护环境，这是一项功在当代、利在千秋的宏伟事业。 随着国民经济的发展、人民生活水平的提高，中央空调应用日益广泛、 普及，空调用电占总用电总量的比例在不断上升，空调能耗已占总能耗2 0 左右，因而空调节能意义巨大。同时，在中央空调系统的设计及设备选型中 均以最大负荷作为设计工况，而实际运行中空调负荷则随多种因素而变化， 最小时甚至还不到设计负荷的l o ，存在很大的能源浪费现象。因此，中 央空调系统如何适应在低负荷下高效节能运行及在系统设计中对设备进行节 能选配就成为空调节能的关键。中央空调系统的节能主要可从以下几个方面 考虑：系统的选择、设备的选配及系统的运行管理。首先，在中央空调系统 设计之初选定空调方案( 系统方式) 时，即应将节能作为重要依据之一。中央 空调能耗一般包括三部分：空调冷热源；空调机组及末端设备；水或空气输 送系统。这三部分能耗中，冷热源能耗约占总能耗的一半左右，是空调节能 的主要内容。节能和环保是实现可持续发展的关键。空调领域作为一用能大 户，其能耗已占总能耗的2 0 左右，故节能意义十分巨大。而从可持续发展 理论出发，这对于节约能源、降低运行费用、促进国民经济发展具有十分重 要的意义。在中央空调系统的设计、管理过程中，均应将对节能降消问题引 起足够的重视，在各个环节中均应积极地争取挽回所有可能挽回的能量。并 5 西华大学硕士学位论文 将能源消耗作为衡量系统优劣的一项重要指标。具体节能方案应根据建筑物 的结构、使用要求、环境条件等因素，通过广泛的调查研究后确定。只要各 方共同努力，空调系统的节能降耗问题是不难解决的。 自从空调节能被提上日程，很多的空调节能技术被使用。目前我国比较 广泛地使用变频节能技术。所谓的“变频空调”是与传统的“定频空调”相比较 而产生的概念。由于供电频率不能改变，传统的定频空调的压缩机转速基本 不变，依靠不断地“开、停”压缩机来调整室内温度，其一开一关之间容易造 成室温忽冷忽热，并消耗较多电能。而与之相比的“变频空调”变频器改变压 缩机供电频率，调节压缩机转速，依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目 的，室温波动小、电能消耗少，其舒适度得到较大提高。运用变频控制技术 的变频空调，可根据环境温度自动选择制热、制冷和除湿运转方式，使居室 在短时间内迅速达到所需要温度，并在低转速、低能消耗状态下以较小的温 差波动，实现了快速、节能和舒适控温效果。“变频空调”采用了比较先进的 技术，启动时电压较小，可在低电压和低温条件下启动，这对于某些地区由 于电压不稳或冬天室外温度较低而空调难以启动的情况，有一定的改善作用。 由于实现了压缩机的无级变速，它也可以适应更大面积的制热要求。不过，“变 频空调”的价位通常较“定频空调”高出几百元。通过多年的市场分析可以看 到，变频节能并没有很好的被消费者接受。因为变频空调的节电与否与使用 方式有很大关系，如果不是长时间的开着空调那么节电的意义就不突出。 而空调循环泵作为空调的动力系统，耗电量也是相当大的。据统计，空 调系统中循环泵的能耗占系统总能耗的1 8 左右，所以我们从循环泵方面考 虑进行节能研究，中央空调系统循环泵的节能也就成为了首当其冲的问题! 在中央空调系统中，循环水泵夏季输送冷冻水，冬季输送热水至空调末端装 置。循环泵又称管道泵、离心泵、管道离心泵、单级离心泵、立式泵、增压 泵、热水泵、循环水泵、多级离心泵等。其中循环泵的正确选择对空调系统 的能耗有较大的影响。循环水泵选择的依据主要有空调系统所需的水流量、 扬程及水泵的特性等，空调系统所选择的水泵一般按需工况时的流量和扬程 并考虑1 0 2 0 的富裕量保证系统的正常运行。流量较大时可用多台泵 并联工作。水泵并联时的工作点与单台泵工作时的工作点有所不同泵并联工 6 西华大学硕士学位论文 作时的流量小于每台泵单独工作时流量的总和，这在多台泵并联工作时更加 明显，因此不能简单地把各台泵的流量相加作为选择泵时的流量参数。空调 水系统中的循环泵台数不要太多，通常都不超过3 台。冬季选用小流量、低 扬程的循环水泵可降低耗电量，节省运行费用，但冬、夏季采用两组循环泵或 采用调速泵与定速泵并联运行会增加初投资。一般回收年限以2 3 年为宜。 因此实际中央空调水系统泵组方案的选择要根据实际条件通过综合经济比较 确定。 水泵叶轮是影响泵特性的重要部件。随着流体动力学数值求解技术和计 算机软硬件技术的发展，对于水力机械叶轮内的三维紊流场的研究有了长足 的进展。这种最新的c f d 技术在泵水力设计中的应用使我们能够精确地分析 和了解泵叶轮及通流部件的内部水流结构，从而对泵的过流部件几何尺寸进 行优化，全面提高泵的性能。同时，流动可视化技术的进步使具体而详细地 描述叶轮内的流态成为可能。现在国外的一些大公司在投标时往往采用无叶 轮投标。其投标方案一般是通过叶轮设计程序设计的优化方案，并采用先进 的流场分析软件对设计方案进行仿真和性能预估，用数值模拟部分代替模拟 实验，为用户提供叶轮的性能指标。在中标后较短时间内就可研制生产出高 性能的叶轮，这样既缩短了研制周期，又降低了研制费用，在市场竞争中具 有很大的优势。而我国长期以来，新叶轮开发研制的主要手段是根据经验， 设计不同的方案，然后对各种方案进行模型实验，根据实验结果的比较，进 一步改进方案或确定最终设计方案1 5 i 。这样做其代价往往是相当高的：高 昂的实验费用和模型制造费用，烦琐的重复性劳动，大量的人力物力投入， 漫长的研制周期等。有时甚至经过多种方案实验后仍得不到满意的结果。所 幸的是，现在c f d 技术的重要性正在逐渐被认识，随着计算机技术的日新月 异和c f d 技术的日趋成熟，叶轮内的流动模拟正日益成为水力机械研究人员 重要的辅助手段。我们有理由相信在不久的将来，只要加强相关配套的设施， 一定会使泵内部流场的计算工作大大减化，并会进一步提高流动计算的准度 和精度。在二十世纪五六十年代，流体机械的设计基础是由l o r e n t z 提出的 通流理论，即假定叶轮是由无数多、无限薄叶片组成，这样就把叶轮内的复 杂三维流动转化为轴对称流动。根据轴面流动规律的不同假设有一元理论和 7 西华大学硕士学位论文 二元理论以及三元理论的设计方法。如今国内外发展趋势是利用三元理论的 设计方法对叶轮内的三维流动进行完善和创新。利用f l u e n t 软件进行数值模 拟，分析其内部流体的流动状况，通过其可视化对流道结构设计提供理论依 据，并对计算结果进行分析，对其性能进行分析和预测，注重提高循环泵的使 用性能和效率。从而提高空调节能技术，达到节能的效果! 为国家提出的有 效利用能源的政策作出一定的贡献 2 1 。 1 3 2 多级泵叶轮内流数值模拟研究的发展和现状 1 无粘性流动数值模拟 二十世纪5 0 年代至6 0 年代，离心泵叶轮内部流场的数值模拟主要为无 粘性数值模拟呻1 。由于受到计算机技术的限制，研究人员大多把离心泵叶轮 内部流动简化为二维不可压势流、准三维或全三维势流，以流函数、势函数 和e u l c r 方程为控制方程进行计算。奇点一面元法是该时期最早采用的计算 离心泵叶轮内部流动的方法之一。其基本思想是：在假定离心泵叶轮内部流动 为二维势流后，叶片对流动的作用可用奇点( 即涡、源、汇) 代替，把叶片表 面分成许多小块面元，各离散的面元用孤立的点涡来代替，这样离心泵叶轮 内流计算就归结为求解满足边界条件的有限个奇点的布辛涅斯克涡漩强度问 题，从而使数学过程大为简化。1 9 5 2 年我国吴仲华教授提出的s 。、s ：两类流 面通用理论卜侧，对离心泵叶轮内部流场的数值模拟产生了深远的影响。人 们开始普遍采用s 、s ：相对流面法来计算离心泵叶轮内部流动羽，出现了准 三维和全三维势流计算。在它的影响下，一些新的数值计算方法运用到离心 泵叶轮内部流场数值模拟中。 ( 1 ) 流线曲率法( 又称准正交线法) 3 。其基本思想是：在泵的叶轮内流道 ( 叶槽) 中假定近似的流线，利用正交线上的速度梯度方程求解得到流动量的 新的迭代值，再根据流量等值用反插法调整各流线的位置，迭代收敛至给定 的精度。陈胜利等人运用该法计算出离心泵叶轮内的平均相对流面( s ：流面) 的流线分布位置及速度分布：再用快速近似法求出叶片表面的速度分布、压力 8 西华大学硕士学位论文 分布等参数，实现了离心泵叶轮内流的三元数值模拟 t 2 - 1 4 l 。 ( 2 ) 准正交面法。其基本思想是：在叶轮流道中取定初始流线节点和相对 速度w 的分布：再从各个准正交面上分别沿s 。、s ，流面与准正交面的交线进 行速度梯度方程的积分算出新的、值：再通过整个准正交面的流量相等修正、 的值，反复迭代求得满足流量条件的w 分布：然后反插等分流量点，得到新的 流线节点坐标，求新的w 分布和新的流线节点：反复迭代直至得到收敛的w 和流线节点分布o s 。 2 分区考虑粘性效应的数值模拟 从1 9 8 0 1 9 9 0 年期间，离心泵内部流动数值模拟有了新的发展，人们 不再仅仅停留在势流阶段，而是开始综合考虑离心泵叶轮内部流动的粘性、 回流及漩涡对离心泵内部流动的影响。此间计算机技术也迅速发展，使得复 杂的数学求解得以实现。 ( 1 ) 势流一边界层的迭代解法。这种方法把离心泵叶轮流道内的液流分为 无粘性的势流主流区和受粘性影响较大的边界层( 主要集中于叶片、轮毅和盖 板的表面以及叶片和轮毅、盖板的交界处) ，对于不同的区域采用不同的控制 方程及不同的计算方法进行流动数值计算。前面所述的奇点分布法，相对流 面法准正交面法等都可以用来计算。因为边界层内的流动要复杂得多，根 据流动特性钱健一离心泵叶轮内部三维紊流数值模拟研究的不同又可将其分 为层流边界层和紊流边界层，满足不同的边界层方程。边界层的计算方法有 积分法和微分法，对预估离心泵的整体性能、堵塞效应及损失分布等很有用 处。边界层方程属于抛物型或双曲型，其数值求解方法很多。如c r a n k n i c h o l s o n 格式、k e l l e r 箱式格式、特征差分格式及二步格式等【2 2 1 。 ( 2 ) 射流一尾流模型。在这一时期它也被广泛运用于离心泵内流的数值模 拟中。所谓射流一尾流模型就是指离心泵叶轮内流道内的流动基本上是由相 对速度较小的尾流区和近似无粘性的射流区组成。尾流区紧贴在叶轮的前盖 9 西华大学硕士学位论文 板表面和叶片的吸力面上，其流动的紊流度高，产生的损失也大：而靠近叶片 的压力面处，则是流动相对稳定、损失较小的射流区。根据流动边界条件确 定尾迹区形状，并将尾迹区作死水区处理，用准交面方法对射流区进行二元 无粘性计算。为了提高预测的精度，尚需对尾迹的形成机理作更深入的研究。 ( 3 ) 涡量一流函数法。以流函数和涡量分布函数作为整个流场内统一的控 制方程，来计算离心泵叶轮内部的紊流流动【1 6 1 。其主要计算过程为：在离 心泵叶轮流道内假定流函数的一个分布：根据流函数分布求解涡量代数方 程，得到涡量函数的分布：由涡量函数的分布再次求解流函数方程，得到新 的流函数分布：由新的流函数分布，利用涡量的边界表达式确定边界上的涡 量的新值：利用新的流函数分布和新的涡量函数分布重复上述计算，直到获 得收敛的解：按收敛的涡量函数值计算速度：利用压强的泊松( p n i s s o n ) 方程计算压强【 】。三维粘性流动数值模拟2 0 世纪9 0 年代开始，大容量、高 速度计算机的出现、矢量机的问世和并行化技术的发展，极大地推动了计算 流体力学的发展。这时人们开始结合紊流模型直接求解雷诺时均方程，离心 泵叶轮内部流场计算进入全三维的粘性数值模拟时期【埔】。( 1 ) 大涡模拟( l e s ) 大涡模拟方法由s m a g o r i n s k y 提出来的用大尺度涡求解n a v ie r s t o k e s 方 程的近似方法。大涡模拟的主要思想是把紊流运动分成大尺度涡和小尺度涡， 大尺度涡用直接数值求解，小尺度涡则采用“亚格子模型一与大尺度涡发生 联系，从而得到闭合解。1 9 7 0 年，d e a r d o f f 首次将大涡模拟用于槽道中流动 的模拟。7 0 年代，f e r g e r 引人类同于时均处理方法中的紊动能和耗散率概念， 计人涡尺度对涡粘性系数的影响，改正了s m a g o r i n s k y 的计算公式。我国苏 铭德发展了大涡模拟中的代数应力模型，1 9 9 4 年他用大涡模拟对直方管内充 分发展的紊流运动进行了数值模拟，建立了数据库用于检验紊流模型【1 9 】。总 体来说，在模型构造方法的原理上大涡模拟优于霄诺紊流时均方法，但其理 论还处于研究和发展阶段，对于几何结构复杂的流动直接应用大涡模拟进行 计算还不成熟，进行复杂的流动计算还有待于大涡模拟理论本身得到较大突 破和计算能力的大幅度提高汹】。 l o 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 直接模拟( d n s ) 比大涡模拟更先进的描述紊流运动的方法是直接数值 模拟。直接数值模拟所采用的数值方法多为谱方法或伪谱方法，o r s z a g 等人 在谱方法的发展方面做出了重要贡献。我国吴江航教授构建了紊流的均匀化 理论与多重尺度的v o r o n o i 的自然元模型，为高精度的紊流计算探索了一条 新的有希望的途径。但是，紊流直接数值模拟的研究还受限于计算机的速度 和容量，完全的数值模拟还不能计算高雷诺数的流动。 ( 3 ) 模式理论的发展发展大涡模拟和直接模拟的关键是计算机条件，在当 前计算机水平和计算方法还不十分成熟的制约下，许多学者对紊流模式作了 很多研究，模式理论发展繁荣。紊流模型的研究瞵。在利用原始变量( 速度和 压力) 求解不可压缩雷诺时均化的n - s 方程时，需要用紊流模型来封闭才能求 解。紊流模型的研究水平已成为制约离心泵叶轮内流数值模拟精度的一个重 要的因素。目前还没有普遍适用的紊流模型，当前在离心泵内流计算中所采 用的紊流模型主要有零方程模型、一方程模型和双方程模型，而以k g 双方 程模型用的最多。使用高阶各向异性的k 一占紊流模型结合雷诺时均化的n - s 方程，计算离心泵叶轮内部的三维紊流，是紊流模型研究的发展趋势。清华 大学吴玉林等人利用k - e 紊流模型以及s i m p e c 算法1 进行离心泵叶轮内 部的二维紊流计算，成功地得到了离心泵叶轮内的速度、压力及紊动能的分 布。钱健一离心泵叶轮内部三维紊流数值模拟研究大型c f d 软件的开发与应 用n 射。此前人们在离心泵叶轮内流数值模拟方面所做的工作大都是以自编的 程序进行计算，而利用通用的c f d 软件来进行离心泵叶轮内流数值模拟的并 不多见。此类软件将流体力学中的数值计算方法同前处理、后处理程序结合 在一起，形成能够解决不同流动问题的具有版权的通用计算软件，如f l u e n t ， p h o e n i c s ，c f x 系列等哺1 。2 0 世纪9 0 年代后，随着数值模拟技术和计算机技 术的快速发展，大型c f d 软件在计算旋转机械流场方面专业性不断增强，越 来越多的学者开始使用这类软件计算离心泵叶轮内部流动。李文广运用 p h o e n i c s 软件计算了离心泵叶轮内部的三维紊流，并把计算结果与l d v 的测 量结果进行了对比，为推动商品c f d 软件在离心泵叶轮内流数值模拟中的运 用积累了经验：唐辉、何枫等人用f l u e n t 进行离心泵内流场的数值模拟。运 用这些c f d 软件，可使从事叶轮机械内流数值模拟的工作人员得以从编制繁 杂的重复性程序中解放出来，能够把更多的精力投入到考虑所计算的内流问 西华大学硕士学位论文 题的物理本质、边界条件和计算结果的合理性解释等更为重要的方面去。因 此，可以期望未来c f d 通用软件在离心泵叶轮内流数值模拟中的应用将会越 来越多，它的发展将在很大程度上推动离心泵叶轮内流数值模拟的发展。 1 4 本文主要研究内容、途径及技术路线 1 4 1 研究内容： 从流体动力学理论基础出发，对中央空调循环泵运行和性能进行分析，优 化设计与计算泵的叶轮，提高效率，并运用当前流行的u g 和g a m b i t 等软件 进行几何物理建模，利用f l u e n t 软件进行数值模拟和计算，分析其内部流体 的流动状况，并对计算结果进行分析，以提高泵的效率。对中央空调循环泵 的性能进行分析和预测，以达到中央空调系统的节能的目的。 1 4 2 途径及技术路线： 1 对中央空调节能技术的进行详细的综述。 2 运用u g 等三维建模软件建立中央空调系统的循环泵叶轮的水力优 化模型。 3 针对中央空调系统进行循环泵叶轮的水力优化设计。 4 利用u g ，g a m b i t 等软件建立三维模型，并在f l u e n t 中进行流动模拟 和计算，进行性能预测。 5 对计算结果进行分析比较，验证改进模型的正确性以及其性能和效率 的情况，提高其性能和效率，以达到中央空调系统的节能的目的。 通过本文的研究表明：将基于性能预测的优化设计方法应用于中央空调 系统循环泵的设计研究，可以大大缩短研制周期，降低开发成本。本文所述 的研究模拟方法可以进一步推广到其他的流体机械的研究开发过程中。 1 2 西华大学硕士学位论文 第二章中央空调系统及循环泵的节能技术 2 1 中央空调系统及其循环泵系统简介 2 1 1 中央空调系统 图1 所示为一典型中央空调机组系统图，主要由冷冻水循环系统、冷却水 循环系统及主机三部分组成： f i g u r e1 s c h e m a t i cc e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m 图i 中央空调系统原理图 冷冻水循环系统 该部分由冷冻泵、室内风机及冷冻水管道等组成。从主机蒸发器流出的 低温冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道( 出水) ，进入室内进行热交换，带 1 3 西华大学硕士学位论文 走房间内的热量，最后回到主机蒸发器( 回水) 。室内风机用于将空气吹过冷 冻水管道，降低空气温度，加速室内热交换。 冷却水循环部分 该部分由冷却泵、冷却水管道、冷却水塔及冷凝器等组成。冷冻水循环 系统进行室内热交换的同时，必将带走室内大量的热能。该热能通过主机内 的冷媒传递给冷却水，使冷却水温度升高。冷却泵将升温后的冷却水压入冷 却水塔( 出水) ，使之与大气进行热交换，降低温度后再送回主机冷凝器( 回 水) 。 主机 主机部分由压缩机、蒸发器、冷凝器及冷媒( 制冷剂) 等组成，其工作 循环过程如下： 首先低压气态冷媒被压缩机加压进入冷凝器并逐渐冷凝成高压液体。在 冷凝过程中冷媒会释放出大量热能，这部分热能被冷凝器中的冷却水吸收并 送到室外的冷却塔上，最终释放到大气中去。随后冷凝器中的高压液态冷媒 在流经蒸发器前的节流降压装置时，因为压力的突变而气化，形成气液混合 物进入蒸发器。冷媒在蒸发器中不断气化，同时会吸收冷冻水中的热量使其 达到较低温度。最后，蒸发器中气化后的冷媒又变成了低压气体，重新进入 了压缩机，如此循环往复。 2 1 2 中央空调循环泵 循环泵一般指装置中输送反应、吸收、分离、吸收液再生的循环液用泵。 一般采用单级离心泵。循环泵的流量中等大小，在稳定工作条件下，泵的流 量变化比较小。它的扬程小低，只是用来克服循环系统的压力降。可采用低 扬程泵。循环泵的工作原理要将水循环起来。而本文的循环泵是多级离心泵， 如图2 和图3 所示。 2 2 系统的节能运行方案 随着国民经济的发展、人民生活水平的提高，空调应用日益广泛、普及， 空调用电占总用电总量的比例在不断上升，空调能耗已占总能耗2 0 左右， 因而空调节能意义巨大。同时，在空调系统的设计及设备选型中均以最大负 1 4 西华大学碗士学位论文 荷作为设计工况，市实际运行中空调负荷则随多种因素而变化，最小时甚至 还不到设计负荷的l o ，存在很大的能源浪费现象。因此，空调系统如何 适应在低负荷下高效节能运行及在系统设计中对设备进行节能选配就成为空 调节能的关键。空调系统的节能主要可从以下几个方面考虑：系统的选择、 设备的选配及系统的运行管理。 佩龇强 l 嘛 f i 2s h l l c t t t r eo f m u l t i - s t a g e c 岫嘶叫