（流体机械及工程专业论文）旋流泵结构参数的优化设计.pdf

旋流泵结构参数的优化设计 摘要 x 型旋流泵具有结构简单、耐磨性好、良好的无堵塞性能，适用于输送污水， 带有纤维和较大颗粒，能输送含气率较高的液体。旋流泵的结构参数对泵性能影 响的研究尚不充分，无成熟的理论与设计方法，其设计是半理论半经验的， 旋 流泵的叶轮速度与压力近似同心圆分布，提高旋流泵性能主要应降低旋流泵的 轴向旋涡和循环流。主要途径是适当地增加后缩腔的外径，使轴向旋涡不容易封 闭，减少其对性能的影响：因此迫切需要对不同结构参数对旋流泵的性能影响进 行深入的研究，为设计出高效且运行稳定的旋流泵提供理论基础。 以往对旋流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结 构参数只改变一种结构参数来研究其结构参数对泵性能的影响。本文尝试引入正 交试验设计及正交表同时对旋流泵的7 种结构参数进行改变，最终得到1 6 种不 同结果参数的旋流泵模型，利用p r o e 建立各个旋流泵的三维模型，并用 g 6 山毋i t 划分了网格，采用比较成熟的后一s 模型来封闭求解n s 方程。对封闭 的方程组进行数值求解，采用有限体积法进行离散，压力修正使用s i m p l e c 算 法。利用f i i 厄n t 软件对旋流泵在固液两相介质，不同的流量下进行数值模拟， 在取得良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 参数旋流泵的流量一效率、流量一扬程曲线，对这1 6 份数据划分为4 组，从每 组中选出最优效率、扬程的旋流泵模型，最后将这4 组数据和师兄所做的 8 0 x 1 3 5 型旋流泵的数值模拟结果做最终对比，并对结构进行分析探讨，得出了 如下几点结论，可用于指导旋流泵的水力设计。 文中对8 0 x - 1 3 5 型旋流泵的结构优化主要研究成果如下： 1 通过比较各种模型泵的流量一效率、流量扬程来看撑2 模型、撑7 模型、撑1 3 模型比原模型旋流泵的效率、扬程要高，而且都具有很宽的高效区。 2 由各种模型的流量一效率曲线图可以看出：进口直径大，最高效率偏向大 流量，而在小流量区扬程比进口小的泵扬程低，效率也较低。 3 在不同的结构参数下旋流泵同样可以即能保证一定的扬程而且具有很高 的效率。 4 正交试验设计对旋流泵结构参数优化具有很大的实用价值。 硕士学位论文 关键词：旋流泵；结构参数；优化设计；固液两相流 v 旋流泵结构参数的优化设计 a b s t r a c t xt y p e v o n e x - p u m p i s s i m p l e i n s t m c t u r e ，g o o d w e a rr e s i s t a n c e ， g o o d n o n b l o c k i n gp e r f o r m a n c e ，a p p l yt ot r a n s p o r ts e w a g e ，w i t hf i b e r sa n d1 a 唱e rp a r t i c l e s ， c a nb eah i g h e rr a t eo ft r a n s m i s s i o ng a s - b e a r i n gl i q u i d c y c l o n ep u m pp a r a m e t e r so n t h es t m c t u r es t u d yo nt h ei m p a c to fp u m pp e r f o r m a n c ei sn o ty e tm l l ，w i t h o u tt h e s o p h i s t i c a t e dt h e o d r 雒d d e s i g nm e t h o d 0 1 0 9 y ， i t s d e s i g n i sas e m i - t h e o r 或i c a l s e m i - e m p i r i c a l ，a n ds w i r li m p e l l e rp u m ps p e e da n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ns i m i l a u rt o c o n c e n t r i cc i r c l e s ，s w i r li n l p r o v ep u n l pt h ep e r f o 咖a n c eo ft h em a i np u m ps h o u l db e r e d u c e da x i a ls w i r la n dc i r c u l a rv o r t e xf l o w a f et h em a i nw a yt oi n c r e a s ed u et o r e d u c t i o no ft h ed i a m e t e ro fc a v i t y ，s ot h a tt h ea x i a lv o r t e xi sn o te a s yt ob ec l o s e d ，t o r e d u c et h e i ri m p a c to np e r f b m l a n c e ；t h e r ei sa nu r g e n tn e e df o rd i f f e r e n ts t m c t u r a l p a r a m e t e r so nt h ep e r l l - o n n a n c eo fh y d r o c y c l o n ep u m p - d e p t hs t u d yo ft h ei m p a c t ，i n o r d e rt od e s i g nae f e c i e n ta n ds t a b l eo p e r a t i o no ft h ep u m pa n dp r o v i d eat h e o r e t i c a l f i o u n d a t i o ns 、i r l v o r t e xp u m pp a s tc h a n g e si ns t m c t u r a lp a r a m e t e r so fb o t ht h em l m e r i c a l s 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 so fo t h e rs t m c t u r a lp a r a m e t e r sa r ef l x e do n l yt o c h a n g et h ep a r a m e t e r so fas t m c t u r et o 蚰j d yt h es t m c t u r ep a r a m e t e r so np u m p p e r f b r m a n c e t h i sp a p e ra t t e m p t st oi n t r o d u c 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 na n d o r t h o g o n a lp u m ps w i r la tt h es a m et i m et h es t m c t u r eo ft h es e v e nk i n d so fp a r a m e t e r s c h a n g e ，t h ef i n a lr e s u l t so f16d i f f e r e n tp a r a m e t e r so ft h ec y c l o n ep u m pm o d e l ，t h e u s eo fp r o es w i r lp u m pa l ls e tu pt 1 1 r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l ，a n dd i v i s i o no ft h e g a m b i tg r i d ，t h eu s eo fm o r em a t u r em o d e l st os o l v et h en se q u a t i o n sc l o s e d o f c l o s e dn u m e r i c a le q u a t i o n s ，u s i n gd i s c r e t ef i n i t ev o l u m em e t h o d ，t h eu s eo fs t r e s s s d 旧l e ca l g o f i t h ma m e n d m e n t t h eu s eo ff 1j 皿盯s o 脚a r et os w i r la tt h e s o l i d l i q u i dt w o p h a s ep u m pm e d i u m ，u n d e rd i f r e r e mn o wm i m e r i c a ls i m u l a t i o ni n m a l ( i n gg o o dt h er e s u l t so fi m m e r i c a ls i r n u l a t i o nb a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s c a l c u l a t e do r g a n i z et h es t m c t u r eo fl6d i 氐r e mp a r a m e t e r so ft h en o ws w i r lp u m p e m c i e n c ya n dn o w - l i f tc u r v e ，t h e l6d a t ai sd i v i d e di n t o4g r o u p s ，e a c hg r o u p s e l e c t e d 仔o mt h eo p t i m a le f f i c i e n c yo ft h eh y d r o c y c l o n el i f tp u m pm o d e l ，a n df i n a l l y 硕士学位论文 t l l i ss e to fd a t aa n d4s e i l i o rd i ds w i r lt y p e8 0 x 一13 5n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e r e s u l t so fp u m pf i n a l l ym a k ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h es t m c t u r e ，o b t a i n e dt h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a nb eu s e dt og u i d et h ed e s i g no f t h eh y d r a u l i cp u m p s 、v i r l i nt h i sp a p e r ，c y c l o n e8 0 x 一1 3 5 b a s e ds t m c t u r a lo p t i m i z a t i o no ft h em a i np u m p r e s e a f c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 b yc o m p a r i n gt h 6v a r i o u sm o d e l so ft h ef l o wp u m p - e 衔c i e n c y t h ef l o w - h e a dl o o k a t 撑2m o d e l ，m o d e l 撑7 ，群13m o d e lt h a nt h eo r i g i n a lm o d e lo ft h ee f f i c i e n c yo f c y c l o n ep u m p ，l i rh i g h e r ，a n dh a v eav e qw i d ez o n eo f h i g h l ye 硒c i e n t 2 t h ef l o w 仔o mav a r i e t yo fm o d e l s t h ee f f l c i e n c yc u ec a nb es e e n ：t h ed i a m e t e r o fi m p o r t s ，a n dt h em o s te m c i e n tl a 唱eb i a sf l o w a n df l o wi nas m a l la r e ao ft h e h e a dt h a nt h ei m p o no fs m a l ll o w - l i rp u m p s ，e f f i c i e n c yi sl o w 3 t h ee d d yp u m pm a yn a m e l yb ea b l es i m i l a r l yt og u a r a n t e ec e r t a i n1 i r i n gu n d e rt h e d i 缗：r e n td e s i g np a r a m e t e rm o r e o v e rt oh a v et h ev e d rh i g he 币c i e n c y 4 t h eo r t h o g o n a lt e s td e s i g nh a st h ev e r yg r e a tu s ev a l u et ot h ee d d yp u m pm o d e l 0 p t l m l z a t l o n k e y w o r d s ： v o r t e x p u m p ；d e s i g n p a r a m e t e r ； o p t i m i z a t i o nd e s i g n ； s o l i d - l i q u i dt w o - p h a s ef l o w ； v 旋流泵结构参数的优化设计 插图索引 图1 1 流动模型l 2 图1 2 流动模型2 2 图1 3 动模型3 3 图1 4 动模型4 3 图2 1 六叶片直叶片叶轮1 3 图2 2 九叶片r 3 0 - f 3 0 叶片叶轮1 3 图2 3 叶轮弯曲方向示意图1 3 图2 4 结构参数示意图1 3 图2 5 六叶片直叶片模型图1 6 图2 6 六叶片r 3 0 一f 3 0 叶片模型图1 6 图2 7 七叶片直叶片模型图1 6 图2 8 七叶片r 3 0 - f 3 0 叶片模型图1 6 图2 9 八叶片直叶片模型图1 7 图2 1 0 八叶片r 3 0 - f 3 0 叶片模型图1 7 图2 1 1 九叶片直叶片模型图1 7 图2 1 2 九叶片r 3 0 f 3 0 叶片模型图1 7 图2 1 3 九叶片直片旋流泵网格图1 9 图2 1 4 九叶片r 3 0 一f 3 0 叶片旋流泵网格图1 9 图4 1 残差收敛曲线图3 l 图4 2 第一组模型各种流量对应的效率图3 4 图4 3 第一组模型各种流量对应的扬程图3 5 图4 4 第二组模型各种流量对应的效率图3 7 图4 5 第二组模型各种流量对应的扬程图3 7 图4 6 第三组模型各种流量对应的效率图3 9 图4 7 第三组模型各种流量对应的扬程图3 9 图4 8 第四组模型各种流量对应的效率图4 l 图4 9 第四组模型各种流量对应的扬程图4 l 图4 1 0 不同模型各种流量对应的效率图4 2 图4 1 1 不同模型各种流量对应的扬程图4 2 图4 1 2 各模型选取截面示意图4 6 硕士学位论文 图4 1 3 # 2 模型蜗壳全压等值线图4 6 图4 1 4 撑1 3 模型蜗壳全压等值线图4 6 图4 1 5 躬模型蜗壳全压等值线图4 7 图4 1 6 撑1 6 模型蜗壳全压等值线图4 7 图4 1 7 群2 模型y 0 截面全压等值线图4 7 图4 1 8 撑1 3 模型y o 截面全压等值线图4 7 图4 1 9 撑3 模型y 0 截面全压等值线图4 7 图4 2 0 # 1 6 模型y o 截面全压等值线图4 7 图4 2 1 撑2 模型y o 截面速度等值线图4 8 图4 2 2 撑1 3 模型y 0 截面速度等值线图4 8 图4 2 3 # 3 模型y o 截面速度等值线图 4 8 图4 2 4 撑1 6 模型y o 截面速度等值线图4 8 图4 2 5 撑2 模型y 5 0 截面全压等值线图4 8 图4 2 6 群1 3 模型y 5 0 截面全压等值线图4 8 图4 2 7 撑3 模型y 5 0 截面全压等值线图4 9 图4 2 8 撑1 6 模型y 5 0 截面全压等值线图4 9 图4 2 9j 6 2 模型y 5 0 截面速度等值线图4 9 图4 3 0 撑1 3 模型y 5 0 截面速度等值线图4 9 图4 3 l 撑3 模型y 5 0 截面速度等值线图4 9 图4 3 2 撑1 6 模型y 5 0 截面速度等值线图4 9 旋流泵结构参数的优化设计 附表索引 表2 1 旋流泵性能参数表2 表2 2l 1 6 ( 4 4 2 3 ) 正交表1 4 表2 3 表头设计及因素水平表1 4 表2 4 模型结构方案表1 5 表4 1j 5 1 一柏各种流量对应的流量效率表3 3 表4 2 拌1 一拌4 各种流量对应的流量扬程表3 4 表4 3 拌5 球8 各种流量对应的流量效率表3 6 表4 4 撑5 一撑8 各种流量对应的流量扬程表3 6 表4 5j 5 6 9 一撑1 2 各种流量对应的流量效率表3 8 表4 6 撑9 一j 5 1 2 各种流量对应的流量扬程表3 8 表4 7 撑1 3 一群1 6 各种流量对应的流量效率表4 0 表4 8j 6 1 3 一撑1 6 各种流量对应的流量扬程表4 0 表4 9 各种流量不同模型对应的流量效率表4 2 表4 1 0 各种流量不同模型对应的流量扬程表4 2 表4 1 1 各种模型的结构配置方案表4 4 x 兰州理工大学 学位论文原创性声明 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：互派日期：哆年厂月子日 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： 哆年月孑日 日期： 纱年歹月，t 日 凌蜥 王去 ： j 名 名 签 签 者 师 作 导 硕士学位论文 1 1 研究旋流泵的意义 第1 章绪论 随着水力输送各种固态物质的领域不断的扩大，杂质泵得到了广泛的应用， 并且水力输送的杂质也越来越复杂，在输送介质过程中对泵的无堵塞性和运行的 可靠性有较高要求。旋流泵【1 】( 又称为涡流泵或自由流泵) 作为杂质泵的一种， 特别适合于抽送含大颗粒固体的液体以及特别脏、粘、厚的液体，且结构简单、 容易制造、运行平稳、耐磨性好、寿命长、泵吸入性能好，具有良好的抗汽蚀性 能，这是其它杂质泵( 如离心式杂质泵) 难以比拟的。但在流动机理【2 3 】和设计 方法【4 】的研究上比较少，而且旋流泵的结构参数对泵性能影响的研究尚不充分， 无成熟的理论与设计方法，其设计是半理论半经验的，因此对于旋流泵的研究具 有一定的理论意义和实际应用价值。 1 2 旋流泵内部流动规律的研究 对旋流泵内部流动规律的研究手段主要有以下两种：实验研究和运用专用的 c f d 软件对内部流动进行数值模拟。 1 2 1 实验手段 可视化技术和测试技术的发展为观察和记录旋流泵内部流场提供了切实可 行的实验手段，如沙毅、王劲松、杨敏官等人采用透明的有机玻璃制作的盖板， 对旋流泵泵腔内的流动状态和萝卜的运动轨迹进行了观察，结果发现在旋流泵的 无叶腔内为循环流和贯通流两种并存的流动状态；日本的青木正则【5 1 、大庭英树 同和西德的r u t s c h i 等人用五孔皮托管测量了无叶腔内的流场；国内的封俊、李 世煌用用示综粒子法对无叶腔的流动进行了研究；王家禄、谢达荣、陈红勋、关 醒凡、沙毅等人用球形五孔探针对无叶腔内的流动进行了实验测试，对旋流泵内 的流动规律进行了初步的研究。以实验手段测得的结果【5 】( 除了人为误差和系 统误差外) 是可靠和可信的。但这种方法需耗费大量的人力和物力，且周期较长。 旋流泵结构参数的优化设计 1 2 2 数值模拟手段 1 2 2 1 流动模型的建立 对旋流泵的数值模拟首先要建立旋流泵的 数学模型。旋流泵模型的建立是经过很长的过 程之后逐渐完善的，大多数模型都是建立在实 验的基础之上的。例如：2 0 世纪8 0 年代初期英 格索兰试验研究中心的s c h i v l e v 等人首先提出 了旋流泵的流动模型，如图1 1 所示。假定流动 cv ) ， ( h i 矿刀f 力 弋j 钐形 ：z z z 彦钐 ( 1 ) 图1 1 流动模型1 是稳定且轴对称的，所有流动参数仅是半径的函数。他把涡室的流动分为5 个相互 关联的区域：进口混流区即新鲜入口液流与循环流混合区( i ) ，向内径方向的粘 性旋涡区( i i ) ，叶轮直接作用区( i i i ) ，叶轮排出流区( ) 即再循环流及泵出口排 量分离区，泵排出流动区( v ) 。采用一元理论分析，以空气为介质，用三孔探针 测量了内部流场的速度和压力并与计算结果作了比较。周向速 度和实验结果相差较大，仅在叶轮外径处较准确。s c h i v l e y 等在假定旋流泵参数 仅随半径变化的情况下，对一元模型进行了理论分析，建立了一元理论分析方程， 并进行了泵内流动状态空气模型试验。 大庭英树根据自己在无叶腔内不同轴侧面 上利用五孔探针对流场的详细测试结果，提出 了新的流动模型，如图1 2 所示。他将泵内流动 分成四种流动a 、b 、c 、d 即贯通流a 、循环流c 、 以及a 与c 的合流b 、在涡室与叶轮的分界处存在 着流入或流出叶轮的不规则流动d 。它是对 s c h i v l e y 流动模型的一种改进。 青木正则从确定贯通流和回流在叶轮处的 平均流入流出半径入手，提出了一种流动模型， 图1 2 流动模型2 如图1 3 所示，并用实验方法来说明内部流动与泵性能的关系，指出了叶轮结构参 数变化而引起泵性能变化的原因。 2 硕士学位论文 图1 3 流动模型3 e l 匿 一de e b 。l i 爿一 l 黝 图1 4 流动模型4 1 9 8 8 年封俊等人利用五孔探针，激光测速技术测定了旋流泵无叶腔内的速度 分布，从理论上对旋流泵进行分析，并采用流线迭代法计算了叶轮内的流速和静 压，还建立了描述旋流泵无叶腔内部流动的二维数学模型，并用有限元方法进行了 数值求解，实验结果和理论结果基本吻合。 1 9 9 1 年，陈红勋等人对旋流泵叶轮内部的流速和叶片表面压力进行测试，结 合前人测得的无叶腔内部流动测试结果，建立流动模型( 见图1 4 ) ，并对叶轮内的 流场进行全三维势流计算。将泵内流动分为a 、b 、c 、d 、e 五个区域，在区域a 内，由吸入口流入的流量q 和循环流流量混合后一起流入叶轮；区域b 为叶轮区； 在区域c 内，从叶轮流出的液体一部分成为循环流，另一部分流出泵外；区域d 内是 以切向旋涡流为主的流动。区域e 内存在着由工作面流向背面的流动，由于此区 域流动非常复杂，目前还无法计算，作者将此区域流动作为水利损失处理。 1 2 2 2 数值模拟采用的方法 在数值模拟的计算方法上有：李世煌、封俊利用有限元分析法计算旋流泵无 叶腔内流场；陈红勋等提出了求解旋流泵叶轮内流场的全三维势流的边界元解法 【1 6 - 1 7 】；施卫东等对型号为w q x 2 0 1 6 2 2 的旋流泵【1 8 】的内部流道进行了三维造型， 采用非结构网格技术，将旋流泵的无叶腔和叶轮作为一个整体，对其内部的三维 不可压湍流场进行数值模拟【1 9 。2 0 】，采用修正的k g 模型并应用s m 伊l e 算法求 解【2 m 2 1 ，计算所得结果表明旋流泵无叶腔内部流动确实存在较强的纵向旋涡和轴 向旋涡，为进一步改进和完善旋流泵的设计理论提供了新的依据；夏朋辉，刘树 3 旋流泵结构参数的优化设计 红，吴玉林对) b l o o 8 0 2 0 0 型旋流泵进行数值模拟，得出较好的数值模拟结 果。 正确的建立旋流泵的数学模型，运用专用的c f d 软件对内部流动进行数值 模拟。该方法省时省力，只要物理模型正确，在一定程度上可以反映旋流泵的内 部流动规律【2 3 1 。目前该方法已经作为旋转叶轮机械内部流动规律研究的重要手 段之一。若再结合实验手段对c f d 的相关软件中的数学模型以及所选用的相关 参数进行改进和调整，完全有可能使数值模拟的结果与实际内部流动相吻合。此 种数值模拟【2 4 1 和实验相结合的方法已成为现在研究的主流方向。 1 3 泵内部流动数值模拟研究的进展 1 3 1 无粘性流动数值模拟 2 0 世纪5 0 年代8 0 年代泵内部流场的数值模拟主要为无粘性数值模拟，由 于受计算机技术的限制，把泵内部流动简化为二维不可压缩势流、准三维势流或 全三维势流，以流函数和势函数或e u l e r 方程作为控制方程进行计算，对叶轮内 部流动盼2 6 1 在该时期最早采用的是奇点一面元法。 1 9 5 2 年中科院的吴仲华教授提出的s 1 、s 2 两类流面通用理论，对离心泵内 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 1 、s 2 相对流面来计 算离心泵内部流动，出现了准三维势流和全三维势流计算m 2 引，在它的影响下一 些新的计算方法如：准正交线法( 又称流线曲率法) 和准正交面法运用到了离心 泵内部流动数值模拟中，推动了数值模拟的发展。 1 3 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进展，人们不再 仅仅停留在势流阶段，而是开始综合考虑离心泵内部流动的粘性、回流和漩涡对 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 3 2 1 势流一边界层的迭代解法 这种方法把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 4 硕士学位论文 界层，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。因为边界层内的流动很复杂，根据流动特性的不同又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线型 或双曲线型，其数值求解方法有很多种，如：g r a l l l ( - 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。 1 3 2 2 射流一尾迹模型 所谓射流一尾迹模型是指离心泵叶轮内的流动基本上是由相对较小的尾迹 区和近似无粘的射流区组成。尾迹区紧贴在前该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。根据边界层条件确定尾迹区形状，并将尾迹区作为死水区处 理。用准正交面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 尾迹的形成机理进行进一步的研究。 1 3 2 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鸭控制方程，来计算离心泵内 部的紊流流动。其主要计算过程为：( 1 ) 假定一个流函数分布；( 2 ) 根据流函数 分布求解涡量代数方程，得到涡量函数的分布；( 3 ) 由涡量函数的分布再次求解 流函数分布，得到新的流函数分布；( 4 ) 按新的流函数分布，利用涡量的边界表 达式确定边界上涡量新值；( 5 ) 利用新的流函数分布和新的涡量函数分布重复上 述过程，直到获得收敛的解；( 6 ) 按收敛的涡量函数分布计算速度u 、v ；( 7 ) 利用压强的泊松分布方程计算压强。 1 3 3 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，极大的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，离心泵内部流场计算进入全三维的粘性数值模拟时期。 提出了相应的湍流的数值模拟方法，这些方法有：直接数值模拟( d n s ) 、大涡 模拟【2 9 ，3 0 】( l e s ) 、i i j e v n o l d s 平均法( r a n s ) 。 旋流泵结构参数的优化设计 1 3 3 1 直接数值模拟( d n s ) 直接数值模拟法就是直接用瞬时的n a v i e r s t o k e s 方程对湍流进行计算。 d n s 的最大好处是无需对湍流流动【3 1 1 做任何简化或近似，理论上可以得到相对 准确的计算结果。但对这种方法，现有计算机的计算能力还是比较难达到的。 d n s 对内存空间及计算速度的要求非常高，目前还无法用于真正意义上的工程 计算，但大量的探索性工作正在进行之中【3 2 。3 4 】，在不远的将来，将这种方法用于 实际工程计算将成为可能。 1 3 3 2 大涡模拟( l e s ) 大涡模拟方法是由s m a g o 血s k y 提出来的用大尺度涡求解n a v i e r s t o k e s 方 程的近似方法。其主要思想是把紊流的运动分成大尺度涡和小尺度涡，大尺度涡 用直接数值模拟，小尺度涡采用“亚格子模型”与大尺度涡发生联系，从而得到闭 合解。总体而言，l e s 方法对计算机内存及c p u 速度要求仍比较高，但低于d n s 方法，目前在工作站和高档p c 机上已经可以开展l e s 工作，f 1 1 厄n t 等商用软 件也提供l e s 模块供用户选用。l e s 方法是目前c f d 研究和应用的热点之一【3 5 】。 1 3 3 3r e v n o l d s 平均法( r a n s ) 虽然瞬时的n a v i e r s t o k e s 可以用于描述湍流，但n a v i e r s t o k e s 的非线性 使得用解析的方法精确描述三维时间相关的全部细节极端困难，即使能真正得到 这些细节对于解决实际问题也没有太大的意义。所以人们很自然地想到求解时均 化的n a v i e r s t o k e s ，而将瞬态的脉动量通过某种模型在时均化的方程中体现出 来，由此产生了r e v n o l d s 平均法。其核心是不直接求解瞬时的n a v i e r s t o k e s ， 而是求解时均化的r e y n o l d s 方程。r e y n o l d s 平均法是目前使用最广泛的湍流数 值模拟方法1 3 6 ，3 7 1 。 在r e y n o l d s 方程中有关湍流脉动量的r e y n o l d s 应力项属于新的未知量。因 此要使方程组封闭，必须对r e v n o l d s 应力做出某种假设，引入新的湍流模型方 程把湍流的脉动量和时均值联系起来。由于没有特定的物理定律可以用于建立湍 流模型，目前的湍流模型只能已大量的试验观测结果为基础进行假定。 根据r e v n o l d s 应力作出的假定或处理方法不同，目前最常用的湍流模型有 6 硕士学位论文 两大类：r e y n o l d s 应力模型( 包括r e y n o l d s 应力方程模型和代数应力方程模型) 和涡粘模型( 包括零方程模型、一方程模型和双方程模型) ，目前双方程模型在 工程中应用最为广泛，最基本的的双方程模型是标准k g 模型，即分别引入湍 动能和耗散率的方程，此外还有各种改进的k 占模型，其中比较著名是i 斟gk 占 模型和r e a l i z a b l ek g 模型。 1 3 4 湍流模式理论的研究 1 3 4 1 紊流模型的研究 利用原始变量( 速度和压力) 求解不可压缩r e v n o l d s 时均化的n a v i e r s t o k e s 方程时需要用湍流来封闭才能求解。紊流模型的研究水平已成为制约泵内部流场 数值模拟精度的一个重要的因素。目前还没有普遍使用的紊流模型，现在在离心 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， 其中以k 占双方程模型用的最多。使用高阶各向异性的k - 占双方程模型结合 r e y n o l d s 时均化的n s 方程计算离心泵内部的三维流动是紊流模型研究的发展 趋势。 旋流泵的数值模拟计算【3 1 1 区别于离心泵的计算，对旋流泵的数值模拟是 参照了离心泵数值模拟的方法并针对旋流泵的模型改变了数值计算方法。施卫东 等对型号为w q x 2 0 1 6 2 2 的旋流泵内部流道进行了三维造型，采用非结构网格 技术，将旋流泵的无叶腔和叶轮作为一个整体，对其内部的三维不可压湍流场进 行数值模拟，采用修正的k 占模型并应用s m 口l e 算法求解，计算所得结果表 明旋流泵无叶腔内部流动确实存在较强的纵向旋涡和轴向旋涡，为进一步改进和 完善旋流泵的设计理论提【4 2 1 供了新的依据；夏朋辉，刘树红，吴玉林对 ) b l o o 8 0 2 0 0 型旋流泵进行数值模拟，得出较好的数值模拟结果。这些文献资 料都为旋流泵的数值模拟计算提供了参考。 1 3 4 2c f d 商业软件的开发与应用 1 c f d 商用软件的开发与简介 ( 1 ) c f d 软件的开发 为了完成c f d 计算过去多是用户自己编写计算程序，但由于c f d 的复杂性 7 旋流泵结构参数的优化设计 和计算机软硬件条件的多样性，使得用户各自的应用程序往往缺乏通用性，而 c f d 本身又有其鲜明的系统性和规律性，因此比较适合被制成通用的商用软件。 自1 9 8 1 年以来，出现了如p h o e m c s 、c f x 、s t a r c d 、f i d 口、f l u e n t 等 商用c f d 软件f 3 7 。3 9 】，这些软件均有如下特点：功能全、面适用性强，几乎可以 求解工程界中的各类复杂问题；易使用的前后处理系统和与其他c a d 及c f d 软 件的接口功能，同时允许用户扩展自己的开发模块；较完善的容错机制和操作界 面，稳定性高；可在多种计算机、多种操作系统，包括并行环境下运行。随着计 算机技术得快速发展，这些软件在工程界正发挥着越来越大的作用。 ( 2 ) 主要c f d 软件简介 ( a ) p h o e m c s ：是第一套计算流体动力学与传热学的商用软件由c f d 的 著名学者d b s p a l d i n g 和s v p a t a n k a r 等提出的，第一个版本于1 9 8 1 年完成。该 软件是基于有限体积法的，目前p h o e m c s 主要有c o n c e n t r a t i o nh e a ta n d m o m e n t u m “m i t e d ( c h 址d 公司开发。 ( b ) c f x ：是第一个通过i s 0 9 0 0 1 认证的商业软件，由英国a e a t e c h n o l o g y 公司开发，2 0 0 3 年被a n s y s 收购。和大多数c f d 软件不同的是，c f x 除了可 以用有限体积法之外，还采用了基于有限元的有限体积法。基于有限元的有限体 积法保证了在有限体积法的守恒特性的基础上吸收了有限元的数值精确性。除了 常用的湍流模型外，c f x 最先使用了大涡模拟( l e s ) 和分离涡模拟( d e s ) 等 高级湍流模型。1 9 9 5 年c f x 推出了专业的旋转机械设计与分析模块c f x t a s c f l o w ，并一直占据着旋转机械c f d 市场的大量份额，是典型的气动水动力学 分析和设计工具。 ( c ) s t a r c d ：是由英国帝国学院提出的通用流体分析软件，由1 9 8 7 年在 英国成立的c d a d a p c o 集团公司开发，和p h o e l 蛆c s 同样是基于有限体积法， 其前处理器具有较强的c a d 建模功能。 ( d ) f d 口：是由英国f l u i dd y n a m i c si m e m a t i o n a ( f d i ) 公司开发的计算流体 力学与数值传热学软件，1 9 9 6 年被f 1 【压n t 公司收购，目前的f d 软件是 f i ，i 厄n t 公司的一个c f d 软件。和其它c f d 软件不同的是，该软件完全基于有 限元法，它具有自由表面模型功能，可同时使用变形网格和固定网格，从而模拟 液汽界面的蒸发与冷凝相变现象，流面晃动材料填充等。 8 硕士学位论文 ( e ) f l u 】三n t ：是由f i ，i 厄n t 公司1 9 8 3 年推出的c f d 软件，它是继 p h o e c s 后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。f l u e n t 以 q 6 山m i t 作为前处理软件，它可读入多种c a d 软件的三维几何模型和多种c a e 软件的网格模型，g 心忸i t 的最大缺点是模型的修改功能比较弱。但f i ，i 脚 可读入各种专门网格生成软件所输出的文件，f l u e n i 是用c 语言写的，可实 现动态内存分配及高效数据结构，具有很强的处理能力和很大的灵活性，是目前 功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的c f d 软件之一。 1 4 正交试验设计及正交表 1 4 1 正交试验设计 正交设计是实验m 一4 5 1 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 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