（流体机械及工程专业论文）不同结构参数旋涡泵内部流场的数值模拟.pdf

不同结构参数旋涡泵内部流场的数值模拟 摘要 旋涡泵结构简单、紧凑，广泛应用于家庭和国民经济的各个部门中。目前旋 涡泵存在的主要问题是效率偏低。然而旋涡泵内部流动十分复杂，它是带有旋涡 运动的三维不可压湍流流动，采用一般的实验方法很难对其内部流动进行分析、 研究，因此采用数值模拟的方法对旋涡泵内部流场进行研究是一种有效的手段。 本文对旋涡泵不同结构参数进行数值模拟，分析其对旋涡泵性能的影响，从而为 改进和优化旋涡泵及提高泵的工作效率提供了依据。 以往对旋涡泵结构参数的改变无论是数值模拟或实验研究都是固定其他参 数只改变一种结构参数来研究其对泵性能的影响。本文在引入正交试验设计的同 时对旋涡泵的5 种结构参数进行改变，最终得到1 6 种不同参数的旋涡泵模型。 之后利用p r o e 对各个旋涡泵流动区域进行三维造型，用g a m b i t 软件对其内 部流动区域进行非结构网格划分；采用基于雷诺时均方程和l i n gk 一占湍流模 型，并采用贴体坐标系和交错网格系统对n s 方程用有限体积法进行离散；利用 f l u e n t 软件对旋涡泵在不同的流量下进行数值模拟。在取得较好数值模拟结果 的基础上对模拟结果进行整理计算，得出1 6 种不同结构参数旋涡泵的流量一扬 程、流量一效率曲线，将其划分为4 组，从每组中选出最优效率、扬程的旋涡泵 模型，最后将这4 组数据与原型泵做最终对比，并对其结构进行分析探讨，得出 如下结论，以期对旋涡泵的水力设计有辅助指导作用。 本文对2 5 w - 2 5 型旋涡泵不同结构参数开展研究及取得的主要成果有： 1 通过比较各种模型泵的流量扬程、流量效率曲线来看，# 1 0 模型、 # 1 3 模型为最终优选的模型，具体选用哪种模型应视实际情况而定。 2 验证了旋涡泵的特性曲线图，经分析比较得出5 种结构参数对旋涡泵外 特性的影响；以及在本文所选参数变化范围内，叶轮转速、叶片数及叶片高度为 影响较强的结构参数。 3 通过对较好模型内特性的分析，验证了旋涡泵的动量交换原理以及纵向 旋涡对旋涡泵外特性的影响。 4 正交试验设计对旋涡泵结构参数优化具有很大的实用价值。 关键词：旋涡泵；结构参数；内部流场：数值模拟 i v 硕十学位论文 a b s t r a c t t h ev o r t e xp u m p ss t r u c t u r ei ss i m p l ea n dc o m p a c t ，a n di ti sw i d e l yu s e di n f a m i l ya sw e l la sm a n yd e p a r t m e n t so fn a t i o n a le c o n o m y a tp r e s e n t ，t h em a i n p r o b l e mo fv o r t e xp u m pi s i n e f f i c i e n t b u tt h ei n n e rf l o w o fv o r t e xp u m pi s c o m p l i c a t e d ；i t s at h r e e d i m e n s i o n a l i n c o m p r e s s i b l e t u r b u l e n tf l o w w i t hv o r t e x m o t i o n ，a n do r d i n a r yt e s tm e t h o di sd i f f i c u l tt oa n a l y z ea n dr e s e a r c ho ni t si n n e rf l o w , s oi t sa ne f f i c i e n tm e a nt os t u d yt h ei n n e rf l o wo fv o r t e xp u m pb yn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d t od i f f e r e n ts t r u c t u r ep a r a m e t e r so fv o r t e xp u m p ，t h ep a p e ru s e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o da n a l y z ei t se f f e c tt ov o r t e xp u m p sp e r f o r m a n c e , s ot h a t ap r o o fc a nb es u p p l i e dt oi m p r o v ea n d o p t i m i z ev o r t e xp u m p a n di n c r e a s et h ep u m p s w o r k i n ge f f i c i e n c y i nt h ep a s te i t h e rt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no re x p e r i m e n t a ls t u d i e s ，s t r u c t u r a l p a r a m e t e r sf o rv o r t e xp u m pa r ec h a n g e dt os t u d yi t s e f f e c tt o w a r d st h ep u m p s p e r f o r m a n c ew i t hf i x i n go t h e rp a r a m e t e r so n l yc h a n g i n go n e t h i sp a p e ra t t e m p t st o i n t r o d u c et h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g nm e a n w h i l ec h a n g e s5s t r u c t u r a l p a r a m e t e r so ft h ev o r t e xp u m p ，f i n a l l yg e t s 1 6k i n d sv o r t e xp u m pm o d e l sw i t h d i f f e r e n tp a r a m e t e r s t h e ni td e s i g n st h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lt oe a c hv o r t e x p u m p sf l o wf i e l db yu s i n gp r o e ，d i v i d e sn o n s t r u c t u r a lm e s ht ot h ep u m p si n n e r f l o wf i e l db yu s i n gg a m b i t , a d o p t i n gb a s e do nt h er e y n o l d s a v e r a g e de q u a t i o n s ， r n gk 一占t u r b u l e n c em o d e l ，b o d y f i t t e dc o o r d i n a t e sa n ds t a g g e r e dm e s hs y s t e m d i s p e r s e st h en se q u a t i o n sb yu s i n g f i n i t ev o l u m em e t h o d a tl a s ti tu s e sf l u e n t s o f t w a r et od on u m e r i c a ls i m u l a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n tf l o wr a t e st o w a r d sv o r t e x p u m p n e x tt h er e s u l t ss h o u l db ea r r a n g e da n dc a l c u l a t e db a s e do ng e t t i n gb e t t e r n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n do b t a i n st h ef l o wr a t e - - p u m pl i f t ，f l o wr a t c _ 一 e f f i c i e n c yg r a p h so f1 6k i n d sd i f f e r e n ts t r u c t u r ep a r a m e t e r sv o r t e xp u m p s t h e g r a p h ss h o u l db ed i v i d e dt o4g r o u p s ，a n dt h e nt h ep u m pm o d e lw i t hb e s te f f i c i e n c y , p u m pl i f ts h o u l db es e l e c t e df r o me v e r yg r o u p f i n a l l yt h e s e4g r o u p s d a t aw i l lb e u s e dt oc o n t r a s tt ot h ep r o t o t y p ep u m p ，a n a l y z ea n dd i s c u s st h ep u m p ss t r u c t u r e i h o p et h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw i l lb eas u p p o r t i n gi n s t r u c t i o n a la c t i o n t ot h e v 不同结构参数旋涡泵内部流场的数值模拟 h y d r a u l i cd e s i g no fv o r t e xp u m p i nt h i sp a p e r ，t h em a i na c h i e v e m e n t sb ys t u d y i n gd i f f e r e n ts t r u c t u r ep a r a m e t e r s o f2 5 w 一2 5v o r t e xp u m pa r ea sf o l l o w s ： 1 b yc o m p a r i n gt h ef l o wr a t e - - p u m pl i f t ，f l o wr a t e - - e f f i c i e n c yg r a p h so f t h ev a r i o u sm o d e lp u m p s ，# 1 0m o d e l ，# 1 3m o d e la r et h ef i n a lo p t i m i z e dm o d e l s w h i c hm o d e lw i l lb eu s e dm u s td e c i d ea sc i r c u m s t a n c e sr e q u i r e 2 t h ep e r f o r m a n c ed i a g r a mo fv o r t e xp u m ph a sb e e nv e r i f i e d t h e5s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s e f f e c tt ot h ev o r t e xp u m p se x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i ch a sg o t t e nb ya n a l y z i n g a n dc o m p a r i n g a n dd u r i n gt h er a n g eo ft h ec h a n g i n gp a r a m e t e r s ，t h ei m p e l l e rs p e e d ， t h ev a n en u m b e ra n dt h ev a n eh e i g h ta r et h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sw i t hs t r o n g e r e f f e c t 3 b ya n a l y z i n gt h eb e t t e rm o d e l s i n t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c , t h em o m e n t u m i n t e r c h a n g ep r i n c i p l eo fv o r t e xp u m pa n dt h ep o r t r a i te d d y se f f e c t t ot h ev o r t e x p u m p se x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i ch a v e b e e nv e r i f i e d 4 t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g nh a sag r e a tu t i l i t yv a l u et ot h ev o r t e x p u m p ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：v o r t e xp u m p ；s t r u c t u r ep a r a m e t e r s ；i n n e rf l o w ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n v i 硕士学位论文 插图索引 图1 1 旋涡泵结构示意图1 图2 1 纵向旋涡和径向旋涡9 图2 2 叶轮中流体质点的速度三角形1 0 图2 34 2 片径向叶片叶轮1 3 图2 44 2 叶片隔舌包角2 5 。泵内部流体区域1 3 图2 5 叶轮的主要参数1 4 图3 1 流体计算区域三维模型2 0 图3 2 抖1 泵流动区域三维模型1 9 图3 3 # 2 泵流动区域三维模型1 9 图3 4 # 3 泵流动区域三维模型1 9 图3 5 抖4 泵流动区域三维模型1 9 图3 6 旋涡泵内部流动区域的网格划分2 3 图4 1 第一组模型各种流量对应的扬程图3 2 图4 2 第一组模型各种流量对应的效率图3 2 图4 3 第二组模型各种流量对应的扬程图3 4 图4 4 第二组模型各种流量对应的效率图3 4 图4 5 第三组模型各种流量对应的扬程图3 6 图4 6 第三组模型各种流量对应的效率图3 6 图4 7 第四组模型各种流量对应的扬程图3 8 图4 8 第四组模型各种流量对应的效率图：3 8 图4 9 不同模型各种流量对应的扬程图4 0 图4 1 0 不同模型各种流量对应的效率图4 0 图4 1 1 数值模拟选取的截面4 3 图4 1 2 加模型流道静压分布图4 3 图4 1 3 # 1 0 模型流道静压分布图4 3 图4 1 4 # 1 3 模型流道静压分布图4 4 图4 1 5 舯模型i n l e t 速度矢量分布图一4 4 图4 1 6 # 1 0 模型i n l e t 速度矢量分布图4 4 v 不同结构参数旋涡泵内部流场的数值模拟 图4 1 7 # 1 3 模型i n l e t 速度矢量分布图4 4 图4 1 8 加模型i n 9 0 截面速度矢量分布图4 4 图4 1 9 # 1 0 模型i n 9 0 截面速度矢量分布图4 4 图4 2 0 # 1 3 模型i n 9 0 截面速度矢量分布图4 5 图4 2 1 柏模型o u t l e t 速度矢量分布图4 5 图4 2 2 # 1 0 模型o u t l e t 速度矢量分布图4 5 图4 2 3 # 1 3 模型o u t l e t 速度矢量分布图4 5 图4 2 4 柏模型x 4 5 截面速度矢量分布图4 5 图4 2 5 # 1 0 模型x 4 5 截面速度矢量分布图4 5 图4 2 6 # 1 3 模型x 4 5 截面速度矢量分布图4 6 图4 2 7 加模型r 3 7 5 截面速度矢量分布图4 6 图4 2 8 # 1 0 模型1 t 3 9 5 截面速度矢量分布图4 6 图4 2 9 # 1 3 模型r 3 7 5 截面速度矢量分布图j 4 6 图4 3 0q = 0 8 6 4 m 3 h 的流道静压分布图4 8 图4 3 1q = i 1 5 2 m 3 h 的流道静压分布图4 8 图4 3 2q = i 4 4 m 3 h 的流道静压分布图4 8 图4 3 3q = i 7 2 8 m 3 h 的流道静压分布图4 8 图4 3 4q = 2 0 1 6 m 3 h 的流道静压分布图4 9 图4 3 5q = 1 4 4 m 3 h 的x 4 5 截面静压分布图4 9 图4 3 6q = i 4 4 m 3 h 的x 4 5 截面速度分布图4 9 图4 3 7q = i 4 4 m 3 h 的r 3 9 5 截面速度分布图4 9 硕+ 学位论文 附表索引 表2 1 旋涡泵性能参数表1 2 表2 2l 1 6 ( 4 5 ) 正交表1 5 表2 3 表头设计及因素水平表1 5 表2 4 模型结构方案表1 6 表4 1 静1 弗4 各种流量对应的流量扬程表3 1 表4 2 撑1 荆各种流量对应的流量效率表3 1 表4 3 彬一- # 8 各种流量对应的流量扬程表3 3 表4 4 辎- # 8 各种流量对应的流量效率表3 3 表4 5 棚- # 1 2 各种流量对应的流量扬程表3 5 表4 6 的- # 1 2 各种流量对应的流量效率表3 5 表4 7 # 1 3 - # 1 6 各种流量对应的流量扬程表3 7 表4 8 # 1 3 - # 1 6 各种流量对应的流量效率表3 7 表4 9 各种流量不同模型对应的流量扬程表3 9 表4 1 0 各种流量不同模型对应的流量效率表3 9 表4 1 1 各种模型的结构配置方案表4 1 i x 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：毅兄日期：劬j 护年参月7 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。 日期：3 0j d 年占月7 日 日期：尹年歹月夕日 硕+ 学位论文 1 1 研究旋涡泵的意义 第1 章绪论 1 1 1 旋涡泵现状及其特性 旋涡泵又称为侧流道泵、摩擦裂m l 、再生泵，最早出现在二十世纪2 0 年代， 由德国的西门和亨施公司创造并推广。旋涡泵是一种具有很多径向放射状叶片叶 轮的特殊叶片泵( 如图卜1 ) ，主要工作结构包括叶轮r 叶片式或外缘上切成许多沟 槽而形成叶片的圆盘) 、泵体和泵盖，以及由它们所组成的环形流道。工作时液 体从吸入口流入叶轮，进入流道的液体受叶轮的作用作圆周运动t 产生离心力， 由于叶片流道中的离心力与泵流道中的离心力不同，在轴面上形成纵向旋涡运 动：纵向旋涡运动造成叶片间的液体进入泵的流道中，将一部分动量传递给泵流 道中的液流，液体依靠纵向旋涡在流道内每经过一次叶轮，就得到一次能量。经 多次重复后由压出口流出，这就是旋涡泵产生扬程的主要原理，也是旋涡泵扬程 高于一般叶片式泵的原因。旋涡泵的工作特点使得它的效率不可能很高，因为流 道内液体能量的提高是通过较低品质的动能向高品质的压能转化而实现的，在这 个过程中存在着很大的水力损失。此外，旋涡泵中也存在着流体与叶轮、泵体壁 面问的摩擦损失，在进出口隔板处、叶轮径向间隙处产生的泄漏损失。因此一般 旋涡泵的效率只有3 0 一4 0 ，小功率的旋涡泵效率都在3 0 以下。 广 圉1 1 旋涡震结构示意图 在工程应用当中，旋涡泵结构简单、紧凑【3 一，易于加工，制造成本低，绝 不l 司结构参数旋涡泵内部流场的数值模拟 大多数是单级泵，小流量，高扬程，其性能犹如一台小型的多级泵，比转速n l 一般低于4 0 。旋涡泵工作流量小的可到0 0 51 s 或更小，因此美国学者提出应用 旋涡泵来研制人工心脏泵；流量大的可达1 2 珧，所以可以在某些场合替代离心 泵。当比转速n 。超过4 0 时，因其效率远远低于离心泵，一般较少使用。与尺寸、 转速相同的离心泵相比，其扬程要高3 , - - 9 倍。与相同扬程的容积式泵相比，其 尺寸要小，结构也简单的多。相对于离心泵，旋涡泵只能用来抽送粘度小于1 5 。e 的非粘性液体，随着液体粘性的增加，泵的扬程和效率会急剧降低。并且旋 涡泵只能用来抽送纯净液体，当液体中含有杂质时，就会因磨损引起轴向和径向 间隙的增大，从而导致容积效率和流量的降低。一般旋涡泵都具有自吸能力或借 助于简单装置即可实现自吸，同时因为它陡降的扬程一流量和功率一流量曲线， 因而对系统中的压力波动不敏感。此外闭式流道或开式向心流道的旋涡泵能实现 气液混输，这对于抽送含有气体的易挥发的液体和气化压力很高的高温液体具有 重要的意义。 1 1 2 旋涡泵内部流动的研究进展 第1 个进行旋涡泵研究工作的是德国科学家里台尔( 1 9 3 0 年) ，研究做出了 下述工作过程的假说，他认为旋涡泵在工作时，内部流场中会产生纵向旋涡，旋 涡泵依靠纵向旋涡来传递能量，实现液体的输送。这个假说是对旋涡泵工作原理 进行研究的基础。 二战结束后，国外一些学者开始进一步探索旋涡泵的内部流动理论，得到了 多个描述旋涡泵内部流动的理论模型。1 9 5 4 年，学者s e n 0 0 1 5 1 从旋涡泵内部的湍 流摩擦力方面进行了研究，提出了湍流混合模型。在这个理论模型中，s e n o o 把 旋涡泵叶轮中的流动看作是库艾特一泊肃叶流动。1 9 5 5 年，学者i v e r s o n 6 j 对径 向叶片叶轮的旋涡泵内部流动进行研究，提出了一个湍流模型。他根据叶轮作用 在液体上的剪应力来分析旋涡泵的性能，并通过实验分析来确定模型中的剪切系 数。但是以上两位学者的理论模型并不能直接解释旋涡泵中的旋涡流动。学者 w i l s o n | r l 和他的研究小组在前人研究的基础上，提出了动量交换理论，从而能够 很好地来解释旋涡泵中的旋涡流动。学者d e w i t t i s l 和m 弱【9 l 应用这个理论分析 了旋涡泵的性能。韩国学者jw s o n g l l 0 】认为现在大多数理论只能应用于旋涡泵 2 硕士学位论文 内流动充分发展的区域，然而在流动充分发展区域前有一个流动的发展区域，这 个区域对旋涡泵的性能有很大的影响。他建立了一个应用于流动发展区域内的理 论，并通过实验来分析了这个区域对泵性能的影响，得出增加泵进口处流道的面 积可以提高泵的扬程和效率，并且可以提高泵的汽蚀性能。 在数值模拟方面，国内外学者作过一些研究工作。韩国学者jws o n g 1 0 j 采 用f l u e n t 软件对不同流道截面面积的旋涡泵内部流场进行了数值模拟，并通过 实验研究得出，当流道截面面积增大时，叶轮和流道中的液体所受到离心力的差 值也变大，从而使传递能量的纵向旋涡快速增强，使扬程增大。在国内，江苏大 学的施卫东【1 1 l 等通过对不同流道截面形状的旋涡泵内部流场的数值模拟，分析了 旋涡泵的内部流动状况，验证了流道截面形状对旋涡泵内部流动的影响。董颖【1 2 1 等对旋涡泵内部流场进行了数值模拟，分析了旋涡泵的内部流动状况，证实了纵 向旋涡和径向旋涡的存在。目前国内外学者还没有对旋涡泵性能影响较大的因素 如叶轮转速、流道截面尺寸、叶片数、隔舌尺寸等进行过深入的研究。 在实验研究方面，目前要通过实验方法对旋涡泵内部流场进行直接测量还 十分困难。因此很多学者都是通过优化旋涡泵的过流部件设计，来改善其内部流 动情况，从而提高旋涡泵的性能。国内学者在这方面做了大量的研究工作。郑州 大学的张明成1 1 4 】等通过对旋涡泵叶轮与壳体间动压场的研究，提出了叶轮轴向 单边间隙的最佳取值范围。浙江大学的朱祖超1 1 5 】等在理论上提出以效率为主线 的水力设计方法，结构上提出增大流道面积来拓宽旋涡泵的工作范围，并对 x w b 3 1 3 0 和x w b 1 1 1 0 两台旋涡泵进行了实验研究，理论分析和实验结果表 明：较大的流道面积可以拓宽泵的工作范围，较大的径向间隙和轴向单边间隙会 较低泵的扬程和效率。江苏大学的沙毅1 1 3 , 1 6 1 等从旋涡泵叶片数对性能的影响出 发，通过对采用不同叶片数的旋涡泵进行外特性试验，得出的结论表明：纵向旋 涡的发生次数与叶片数成正比，纵向旋涡增加到一定的数量时，能量传递的增值 反而小于纵向旋涡造成的能量损失，从而引起性能的下降。分析实验结果，得到 了旋涡泵性能随叶片数变化的性能数据与曲线，为旋涡泵叶片数的选定提供了参 考。闻建龙f 1 7 1 等通过对6 个品种的自吸旋涡泵进行型式试验，并对试验结果进 行分析归纳，对原经验公式的系数进行了修正，给出了新的系数曲线。 从目前国内外研究旋涡泵的资料可以看出，有不少国内外学者对旋涡泵的内 3 不同结构参数旋涡泵内部流场的数值模拟 部流动和设计方法进行了研究【1 8 2 1 j ，但是由于旋涡泵内部流动的复杂性，很多 理论的数学模型都是建立在一些简单假定的基础之上，都不能很好地描述旋涡泵 的内部流动特性。因此，对旋涡泵的内部流动理论和设计方法进行研究，对影响 旋涡泵性能的过流部件进行优化设计来提高旋涡泵的效率，是目前旋涡泵理论研 究和设计中急需解决的问题。综合国内外研究分析表明，旋涡泵的发展呈现以下 几个趋势： ( 1 ) 在设计计算方面，针对旋涡泵特殊工作原理以及多种结构型式，对影响旋 涡泵性能的过流部件进行优化设计，提高泵的效率，完善泵的理论设计方法。 ( 2 ) 在理论分析方面，进一步深入研究c f d 技术，建立符合旋涡泵内部流动规 律的数学模型，运用c f d 软件进行模拟计算旋涡泵的工作过程。 ( 3 ) 在实验研究方面，采用p i v ，l d v ，p u ，p d v 等先进测试技术对旋涡泵内部流 动进行测试和分析，揭示其内部流动的规律，为理论研究提供可靠的实验依据。 ( 4 ) 系统研究各过流部件对泵性能的影响及泵内各种损失，提高旋涡泵的效 率，为设计理论提供依据。 ( 5 ) 开发新型旋涡泵结构和叶轮型式，例如单轮双级旋涡泵，半开型叶轮，将 旋涡泵与离心叶轮组合成多级泵( 离心旋涡泵) 等，都可以提高旋涡泵的汽蚀性能， 拓宽其工作范围和应用范围。 1 2 计算流体动力学概述 1 2 1 计算流体动力学 计算流体动力学c f d l 2 2 l ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m 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 的基本思想可以归纳为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量场， 如速度场和压力场，用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。c f d 可以看作是流动基本方程控制下对流动的数值模 拟。通过这种模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理 量的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、空化特性及 脱流区等。 4 硕士学位论文 采用c f d 的方法对流体流动进行数值模拟，通常包括如下步骤： 1 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。具体地说就是要建立反 映问题各个量之间关系的微分方程及相应的定解条件，这是数值模拟的出发点， 没有正确完善的数学模型，数值模拟就毫无意义。流体的基本控制方程通常包括 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，以及这些方程相应的定解条件。 2 寻求高效率、高准确度的计算方法。即建立针对控制方程的数值离散化 方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。这里的计算方法不仅包括微分 方程的离散化方法以及求解方法，还包括贴体坐标的建立、边界条件的处理等， 这些内容可说是c f d 的核心。 3 编制程序和进行计算。这部分工作包括计算网格划分、初始条件和边界 条件的输入、控制参数的设定等，这是整个工作中花时间最多的部分。由于求解 的问题比较复杂，比如n a v i e r - s t o k e s 方程就是一个十分复杂的非线性方程，数 值求解方法在理论上不是绝对完善的，所以需要通过实验加以验证，正是从这个 意义上讲，数值模拟又叫数值试验。 4 显示计算结果。计算结果一般通过图表等方式显示，这对检查和判断分 析质量和结果有重要参考意义。 1 2 2c f d 技术在研究旋涡泵内部流场中的应用 随着c f d 技术的发展，利用c f d 软件来研究流体机械的内部流场已经成为一 种新的手段。由于旋涡泵内部流动十分复杂，它是带有旋涡运动的三维不可压湍 流流动，采用一般的实验方法很难对其内部流动进行分析、研究，因此采用数值 模拟的方法对旋涡泵内部流场进行研究是一种有效的手段。通过对旋涡泵内部流 场的分析来优化其过流部件设计，从而提高泵的性能。 1 3 正交试验设计及正交表 1 3 1 正交试验设计 正交设计是实验【2 3 2 4 l 设计中广泛应用的方法。自1 9 4 5 年f i n n e y 提出分式 设计后，许多学者潜心研究，提供出了供分式设计用的正交表，2 0 世纪4 0 年代 后期，日本田口玄一首次把正交法应用到日本的电话机实验上，随后在日本各行 5 不同结构参数旋涡泵内部流场的数值模拟 业广泛应用，获得丰硕的经济效益。正交试验设计就是用正交表安排试验方案和 进行结果分析，它适用于多因素、多指标、具有随机性误差的试验。实验设计是 以数理统计为基础，科学地安排多因素试验的一类实用性很强的统计方法。它的 主要任务是研究如何合理地安排试验以使试验次数尽可能地少，并根据这些试验 结果进行统计推断以得到良好的试验方案，正交实验设计是最常用的一类实验设 计方法，它既能大大降低试验次数，又能达到较好的统计效果，通过预设的正交 表巧妙安排实验，利用实验结果进行统计分析，从而找到较优( 或最优) 的试验 方案。 1 3 2 正交表 在实验设计中，根据实验目的的选定的、用来考察或衡量试验效果的特性称 为试验指标( 简称指标) 。对试验指标可能产生影响的原因或要素称为因素( 也 称为因子) 。一般用a ，b ，c 表示。在实验设计中，选定的因素所处的状态或 条件不同，可能引起试验指标的变化，称因素的各种状态或条件为水平。一般用 1 ，2 ，3 表示。 正交表是正交拉丁方的推广。它是根据组合理论，按照一定的规律构造成的 矩形表格。正交表实际上是满足一些条件的矩阵。一般记成i 咀( r 1 r 2 产) ， 其中l 表示正交表，n 表示正交表的行数，即试验次数，m 表示正交表的列数， 即试验至多可以安排的因子数，i j 表示第3 个因子的水平数。如果r 1 = r 2 = = 严= r ，则简记k ( f l x r 2 一咀) 为l 咀( 严) 。 正交表的两个重要特点：一、整齐可比性：即每一列中，不同的数字出现的 次数相等。二、均衡搭配性：即任意两列中，把同一行的两个数字看成一对有序 数对时，不同的有序数对出现的次数相等。正交表的这两个特点，使得表中安排 的试验方案在全部试验方案中是均匀分散的，很有代表性，由这- , b 部分实验结 果所得到的分析结论能反映由全面实验结果所做的分析结论，可以从中找出最优 或较优的试验方案。 1 4 本课题的意义和所研究的主要内容 1 4 1 本课题的意义 6 硕士学位论文 旋涡泵被广泛应用于国民经济的各个部门，例如在化工中用作酸、碱及其他 腐蚀液体的输送，用来抽送小流量的高扬程液体；在加油车，油罐车和固定分配 装置中用来抽送汽油、酒精等易挥发性的液体；在城市公用事业中，用来作为补 给泵，用于小功率的可移动式洗涤设备和农业供水设备中。另外还可以用于小型 泵站，作为汽车、船舶用洗涤、消防、饮水设备、小型锅炉给水设备等装置的工 作泵，偏僻农村作为家庭用供水泵。旋涡泵造价便宜，用量巨大，由于目前旋涡 泵存在的最大问题是效率偏低，因此提高其效率，改进其性能，具有较大的经济 意义和学术价值。本文对旋涡泵不同结构参数进行数值模拟，分析其对旋涡泵性 能的影响，从而为改进和优化旋涡泵及提高泵的工作效率提供了依据。 1 4 2 本课题所研究的主要内容 本文以2 5 w l 2 5 型旋涡泵为研究对象，它是一种采用开式流道，闭式叶轮的 旋涡泵。在引入数理统计中的正交试验法对同时改变5 种结构参数重新进行结构 分配进而得到1 6 种不同参数的旋涡泵模型，利用p r o e 软件对其进行三维建模， 并采用正交表l 1 6 ( 4 5 ) 即5 因素4 水平需作1 6 次试验，就( 1 ) 叶轮转速，( 2 ) 叶片数，( 3 ) 隔舌包角，( 4 ) 叶片高度，( 5 ) 流道截面宽度等结构参数的改变对 泵性能的影响用f l u e n t 软件进行流场仿真，分析其外特性，从而归纳总结出较 优的旋涡泵模型，使其内部流动得就到改善，效率得到提高。 本文完成的主要任务如下： 1 采用正交法选用合适的正交表对5 种不同结构参数进行方案划分； 2 用正交试验设计得到旋涡泵不同结构方案并进行三维建模和网格划分； 3 在各种流量下对以上不同结构的旋涡泵结构方案进行流场数值模拟； 4 比较分析数值模拟结果，得出课题所研究旋涡泵的最优或较优结构方案。 7 不同结构参数旋涡泵内部流场的数值模拟 第2 章旋涡泵内部流动理论及结构方案的确定 2 1 旋涡泵的工作原理 关于旋涡泵工作原理的解释，现在主要有两种观点瞄1 ： 第一种观点认为，在旋涡泵叶轮内，流动接近于遵循每个质点的等角速度定 律。在流道中，流动则接近于等动量矩定律。这使得叶轮和流道中液体质点的圆 周速度不相等，从而导致在叶轮内液体所作用的离心力要大于流道内液体所受的 离心力，由此引起了液体的圆环形运动，产生了剧烈的环流，这种环流被称为纵 向旋涡。此外在这种循环运动上，还要加上第二种环流，它是由于叶片进口部分 的冲角很大，液体产生脱流，脱离叶片表面形成旋涡。这种旋涡的矢量方向与叶 片的进口边平行，称为径向旋涡。径向旋涡随着时间而增大，周期性地脱离叶片 被液流带走。旋涡泵工作时依靠这两种旋涡来传递能量，使泵获得很高的扬程。 对于一般的旋涡泵，液体把径向旋涡带入流道的可能性不大，因此它的作用很小， 2 可以忽略不计。这种动量交换原理计算扬程的公式为：h = 叩 式中、i ，为 z g 扬程系数，u 2 ( m s ) 为叶轮外圆的圆周速度。 第二种观点认为，旋涡泵工作时是通过叶轮与流道中液体之间的摩擦来传递 能量的，因而旋涡泵在国外也被称为摩擦泵。这种观点可以用湍流摩擦理论来解 释，将旋涡泵的工作过程看作是依靠叶轮的粗糙表面，对流道内的流体作相对运 动引起的摩擦剪切应力实现的。叶轮外缘“粗糙度 越大，作用于液体的摩擦力 越大，泵扬程越高。径向小叶片与流道内的液体相对运动产生湍流摩擦力，从而 把原动机的能量传递给流道内的液体。叶轮上的叶片在流道内多次重复产生较大 湍流摩擦力，因此旋涡泵具有较高的扬程。这种摩擦湍流原理计算扬程的公式为： h ；酱m 暑2 芬酗 式中c i 为切应力系数，a ( m 2 ) 为叶轮表面的有效面积，u ( - 怕) 为叶轮圆周速度， g ( m s 2 ) 为重力加速度，a ( m 2 ) 为流道过流断面面积，q ( m 3 s ) 为流量，c c 为切应力 8 硕士学位论文 系数，氏：佃2 ) 为流道壁面产生摩擦切应力的有效面积。 2 2 纵向旋涡和径向旋涡理论 旋涡泵在工作时，叶轮以角速度旋转，流道中液体以某一平均速度v 自进 口向出口方向运动。在叶轮中的液体由于离心力的作用流入流道，假定叶轮中液 体与叶轮一起运动，即叶轮中液体的圆周速度分量与叶轮的圆周速度相同。此时 由于叶轮圆周速度u 要大于流道中液体的平均速度v ，由离心力公式：f = m v 2 r 可知叶轮中液体所受的离心力要大于流道中液体所受的离心力，这样由于所受离 心力的差异，在叶轮中的液体流入流道的同时，在叶轮较小半径处流道内的液体 又进入叶轮，从而维持了流动的连续性。这样就形成了图2 1 中所示箭头4 方向 的一个轴面流动，此轴面流动是一种旋涡运动，旋涡向量垂直于轴面，也是在圆 周的切线方向上，称为纵向旋涡或是周向旋涡。旋涡泵中流体依靠这种纵向旋涡 来传递能量，流体在它的作用下反复进出叶轮，每次进出叶轮都能使旋涡泵的扬 程增加。纵向旋涡越强，液体进入叶轮的次数越多，泵扬程越高。纵向旋涡的强 弱取决于叶轮内液体和流道内液体的离心力之差。 除了上述的径向旋涡外，旋涡泵工作时，在叶轮较小半径处液体进入叶轮时 由于叶片进口冲角而引起脱流旋涡，这种旋涡的矢量方向是径向的，称为径向旋 涡( 如图2 1 ) 。径向旋涡也可以造成叶轮与流道内液体质点的能量传递。 1 暧入口2 隔叛& 捧出口4 纵向旋满& 径向旋溺 图2 1 纵向旋涡和径向旋涡 9 不同结构参数旋涡泵内部流场的数值模拟 纵向旋涡和径向旋涡同时存在于旋涡泵的内部流场中，它们都起着传递能量 的作用，通过旋涡运动来实现液体质点之间的能量传递，从而使泵获得较高的扬 程。在旋涡泵中到底是哪种旋涡起着主导作用，这与旋涡泵叶轮、流道的几何形 状、尺寸有关，并且也和泵的运行工况有关。 纵向旋涡和径向旋涡都形成于叶轮中，并向流道运动，与流道中的液体进行 能量传递，实现能量的传递。理论上纵向旋涡和径向旋涡的强度越大，传递给流 道中液体的能量也就越高，水泵获得的扬程也就越大。但是，如果旋涡强度很大， 由流道继续向流道壁面方向运动，这样和壁面产生撞击，从而就形成了较大的能 量损失，使泵的扬程下降。目前在设计旋涡泵时，增大流道的横截面积，增大流 道的圆角半径能很好地使旋涡有足够的空间来实现与流道液体间的能量传递，减 小撞击损失，从而提高泵的效率。 2 3 旋涡泵的理论计算方法 2 每3 7 】 旋涡泵的工作原理使它的扬程与流量关系很难用公式来加以描述，目前流体 在旋涡泵中的能量传递主要是通过动量传递来进行研究的。由此可以根据动量矩 方程来计算旋涡泵工作时液体所获得的能量。根据动量矩方程，单位时间内流经 控制体的液体动量矩变化等于作用在该液体质点上的外力矩。 图2 2 叶