（机械制造及其自动化专业论文）带分流叶片离心泵的逆向开发及内部流动数值模拟分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 低比转速离心泵在国民经济各个领域都有广泛的应用，但其存在着效率低， 扬程曲线易出现驼峰，大流量工况易过载等问题。在两相邻长叶片之间添置分流 叶片是解决这些问题最有效的方法之一。但是，带分流叶片离心泵的内部流动非 常复杂，其规律尚未被完全掌握。此外，系统成熟的带分流叶片叶轮设计方法至 今尚未形成，传统设计需要设计者丰富的经验，开发周期长，成本高，因此很难 适应激烈的市场竞争。 针对这些问题，本文采用逆向工程技术，计算流体动力学( c f d ) 数值模拟 和试验相结合的方法，以设计优良的带分流叶片叶轮为基础，探索离心泵快速开 发方法，研究带分流叶片离心泵的流场分布及分流叶片对低比速离心泵对性能的 影响规律。本课题丰富了带分流叶片离心泵理论研究结果，同时对其改进优化设 计和快速开发，提供了一个有效的思路，具有理论意义和直接的工程应用价值。 主要研究内容与成果如下： 在逆向工程思想指导下，利用触的s 流动式光学扫描仪对某品牌i s 8 0 5 0 2 0 0 型设计优良的带分流叶片离心泵叶轮进行数据测量，测量的点云导入a 吼精 确的完成逆向设计。在逆向设计过程中，分析研究了涉及的数据测量，点云预处 理及模型重构的方法，总结了叶轮类零件逆向设计的一些技巧方法。然后根据逆 向重构的带分流叶片叶轮，创建叶轮流道模型，并设计了一个与之相匹配的螺旋 形涡壳。两者组成整机流道三维模型。 采用c f d 软件f l u e n t 对十种不同流量工况进行全流场的数值模拟。详细分 析了额定工况下速度场和压力场，对比分析了三种不同流量工况下泵内部流动特 性。在此过程中，初步揭示了分流叶片对低比速离心泵内部流动的影响情况以及 带分流叶片离心泵的流场分布规律。结果表明，整体上流场分布情况跟理论分析 一致，额定工况流场分布均匀，分流叶片显著提高了低比速离心泵的性能。但也 出现了一些流动不稳定现象，如叶轮进口的负压，隔舌处的冲击现象等，对此提 出了一些改进措施。此外，还预测了泵的外特性，并与试验特性曲线进行了对比 分析，结果表明，模拟计算和试验结果总体趋势基本吻合，验证了计算结果的可 靠性与设计方法的可行性。但也存在定的误差，对此分析了产生误差的原因。 关键词：分流叶片，低比速离心泵，逆向工程，c f d ，快速开发，数值模拟 i 江苏大学硕士学位论文 l o ws p e c i f i cs p e e dc e n t r i f u g a lp u m pi sw i d e l ya p p l i e di nv a r i o u sf i e l d so f n a t i o n a le c o n o m y b u ti th a st h ed i s a d v a n t a g e so fl o we f f i c i e n c y , e a s yt ob e o v e r l o a d e du n d e rl a r g ef l o wr a t ec o n d i t i o n ，a n du n s t a b l eh e a df l o wc u r v ea n ds oo n i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，a d o p t i n gs p l i t t e rb l a d e sb e t w e e nt w ol o n gb l a d e si s o n eo ft h em o s te f f e c t i v em e t h o d s t h o u g hs p l i t t e rb l a d e sc a l l i m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fc e n t r i f u g a lp u m p s ，t h em e c h a n i s mo fs p l i t t e rb l a d e sh a v en o tb e e n m a s t e r e db yr e s e a r c h e r s i na d d i t i o n ，t h ed e s i g np a r a m e t e r so fc e n t r i f u g a li m p e l l e r w i t hs p l i t t e rb l a d e sa r ei n f l u e n c e db ym a n yf a c t o r sa n dam a t u r es y s t e md e s i g ni sn o t y e tf o r m e d t h et r a d i t i o n a li r r i g a t i o nd e s i g n i s d e p e n do ne x p e r i e n c e ，s o i t s d e v e l o p m e n tn e e d sl o n gc y c l ea n dh i g hc o s t sa n di ti sd i f f i c u l tt oa d a p tt of i e r c e c o m p e t i t i o ni nt h em a r k e t i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f c f da n dp e r f o r m a n c et e s t sa r ea d o p t e dt os t u d yt h ec e n t r i f u g a lp u m p s 耐n ls p l i t t e r b l a d e s b a s e do nag o o ds p l i t t e rb l a d ei m p e l l e r , h i 曲p e r f o r m a n c el o ws p e c i f i cs p e e d c e n t r i f u g a lp u m p sc a nb ed e v e l o p e de a s i l y ，t h ep r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l ec a nb e e f f e c t i v e l ys h o r t e na n di ta l s oc a nr e d u c et h ec o s to fi m p e l l e rd e s i g n t h e s eh a v e s t r o n gp r a c t i c a lv a l u ei ne n g i n e e r i n g a tt h es a m et i m e ，a n a l y s i so fi n t e r n a lf l o w c o m b i n a t i o no fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c h , n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dag o o ds p l i t t e rb l a d e i m p e l l e rh a si m p o r t a n tv a l u et oe x p l o r et h ei n t e r n a lf l o wm e c h a n i s m a n dt h ea f f e c to n p u m pp e r f o r m a n c ea b o u ts p l i t t e rb l a d e s i ta l s oh a sas t r o n gv a l u ef o rf u t u r er e s e a r c h a n do p t i m i z a t i o n t h em a i nw o r ka n da c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： t h em o d e ls t u d i e di sa ni s8 0 5 0 - 2 0 0p u m p u n d e rt h ei d e o l o g i c a lg u i d a n c ei n t h er e v e r s ee n g i n e e r i n g ，t h ed a t eo fi m p e l l e ri sm e a s u r e db ya t o sm o b i l eo p t i c a l s c a l l n e ra n dt h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fp u m pi m p e l l e ri sr e c o n s t r u c t e db y c a t i a i nt h i sp r o c e s s ，i n v o l v i n gd a t am e a s u r e m e n tm e t h o d , t h ep o i n tc l o u d p r e p r o c e s s i n g a n dm o d e lr e c o n s t r u c t i o nm e t h o da r e l e a r n e d , s o m e s k i l l so f r e c o n s t r u c t i o nm o d e la r es u m m a r i z e d t h e na c c o r d i n gt or e v e r s er e m o d e l i n gw i t l la 江苏大学硕士学位论文 s p l i t t e rb l a d ec e n t r i f u g a lp u m pi m p e l l e r , c r e a t e di m p e l l e rf l o wm o d e la n dd e s i g n e da m a t c h e d s p i r a l s h a p e dv o l u t e t h e nr e c o n s t r u c t i o nm o d e li ss i m u l a t e db yf l u e n t t e ng r o u p sd i f f e r e n tf l o w a r ec o m p u t e da n dt h ei n t e r n a lc o n d i t i o na b o u tv e l o d t ya n dp r e s s u r eo fr a t e da r e d e t a i l e d a n a l y s i s b e s i d e s ，t h ec o n t r a s t i v ea n a l y s i so ft h er e l a t i v ev e l o c i t ya n d p r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni sc a r r i e do u tt ot h r e ed i f f e r e n tc o n d i t i o no ff l o w i nt h i sp r o c e s s ， t h ei n f l u e n c eo fs p l i t t e rb l a d e so nt h ef l o ww i t h i ni m p e l l e r sa n dt h el a wo fv e l o c i t y a n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fi n t e m a lf l o wa b o u tt h ec e n t r i f u g a lp u m pi m p e l l e rw i t h s p l i t t e rb l a d e sa r ep r e l i m i n a r yd i s c l o s e d t h er e s u l ti st h a t ：t h ef l o wf r o ms i m u l a t i o n c o i n c i d e d 丽mt h et h e o r ya n a l y s i s ；i nt h es t a n d a r dw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h ef l o wi s s t e a d y ；s p l i t t e rb l a d e sc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fc e n t r i f u g a lp u m p so b v i o u s l y b u t , i ns o m ew o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h e r ea r es o m eu n s t a b l ep h e n o m e n o ns u c ha s i m p e l l e ri m p o r th a st h ea r e ao fn e g a t i v ep r e s s u r e ；i nt h ev o l u t e ，s o m ep a r to ff l o w a r e a se s p e c i a l l yi nt h et h r o a te x i s ti m p a c tp h e n o m e n o na n ds oo n f o rt h e s e ，s o m e i m p r o v e m e n t sa r ep r o p o s e d i n a d d i t i o n ，p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o nw a sc a r r i e d o u ti n c e n t r i f u g a lp u m p s c o m p a r i n gt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa n dt e x tr e s u l t s ，i t so b v i o u st h a tp a r a m e t e r s v a r i a t i o ni sc o n s i s t e n to nt h ew h o l e p e r f o r m a n c et e x t sv e r i f i e dt h ev a l i d a t i o no ft h e p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o nr e s u l to fc e n t r i f u g a lp u m p sb a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n b u tt h ev a l u eb e t w e e nc a l c u l a t i o na n dt e x ti sd e v i a t e dt os o m ee x t e n d ，t h er e a s o no f t h ed i f f e r e n c eh a sb e e na n a l y z e di nt h ed i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：s p l i t t i n gb l a d e s ，l o w - s p e c i f i cs p e e dc e n t r i f u g a lp u m p ，r e v e r s e e n g i n e e r i n g ，c f d ，r a p i dd e v e l o p m e n t , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性申明 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。除文中已经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： 亏l 杰 2 。p 年6 月f 0 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，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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密函。 学位论文作者签名： i 上盘 2o d 年易月de j 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 低比速离心泵一般是指比转速3 0 8 0 的离心泵，广泛应用于农业灌溉、 城市供水、锅炉给水、航天、石油化工、轻工、城市煤气输送等领域。低比速离 心泵具有流量小、扬程高的特点，但由于自身的几何特征：叶片出口宽度较小、 叶轮外径较大，叶轮流道狭长等，导致圆盘摩擦损失和水力损失较大，因而造成 低比速离心泵效率低，能源浪费严重的现象。同时低比速离心泵还存在扬程一流 量曲线易出现驼峰，小流量工况运行不稳定，轴功率曲线随着流量的增加而迅速 上升，在大流量区运行易产生过载等问题【1 1 。而解决这些问题的最有效的方法之 一就是添加分流叶片【2 l ，也就是采用长、短叶片相结合的复合叶轮。但带分流叶 片离心泵的内部流动非常复杂，至今其规律并未被完全掌握，此外带分流叶片离 心泵叶轮所涉及的参数组合和影响因素较多，尚未形成成熟系统设计方法。 叶轮是泵最重要的工作元件，是过流部件的心脏。在低比速离心泵的整体设 计中，一个叶轮设计的好坏直接影响整个低比速离心泵的整体性能，因此设计开 发一个性能优良的带分流叶片叶轮是低比速离心泵改进设计的重点和难点之一。 传统叶轮水利设计，由于至今，流体力学的成果还没有给出计算流体内部流 态和损失的精确公式，传统方法主要依靠经验进行设计，然后通过试验的方法改 进优化，不但开发周期长，成本高，设计人员的经验水平直接影响产品的性能。 此外带分流叶片叶轮设计过程中，还需要考虑分流叶片的偏置距离，设计长度， 叶片数等因素，从而使带分流叶片叶轮的设计更加有难度。而采用逆向工程的方 法完成离心泵叶轮的设计可以克服传统方法的一些缺点。 计算流体动力学( c f d ) 在离心泵设计中的应用，能提高技术创新能力。采 用c f d 技术对设计的模型进行流场分析，性能预测，数值试验，相比试验方法 可缩短开发周期，节省开发成本，提高市场竞争力。 本课题就是应用这两种技术研究带分流叶片离心泵内部流动规律以及探索 高性能带分流叶片离心泵的快速开发方法。 江苏大学硕士学位论文 12 带分流叶片离心泵研究现状 带分流叶片离心泵就足采用长、短叶片相结合的复合叶轮，如图1 - 1 圈卜1 带分流叶片离一。泵叶轮 近年束国内外学者对带分流叶片离心泵进行了_ r 泛深入的研究。k c r g o u r l a y 等州对普通离心泵叶轮和带分流叶片叶轮进行了数值计算和试验研究，表明带分 流叶片离心袋叶轮内部速度和压力分布比普通离心叶轮均匀，扬程比普通叶轮扬 程岛。a s u a j c 等1 4 1 通过研究得出的滑移系数随着叶片数目的增加而增人，带分流 叶片| 轮扬程在全流量范围内比普通叶轮扬程高1 0 一1 5 ，此外在4 个位置进 行了振动测量，发现带分流叶片离心泵叶轮振动比普通离心叶轮要小。h s i a o w e i 等p l 采用分流叶片作为一种备用的不稳定运行引起的振动控制装置，并建市了 个预测分流叶片和转动叶轮日j 的不可压气动稳定性的数学模姓，结果表明，这个 采用分流叶片的叶轮变得运行稳定町靠。j a k i 口s e 等1 6 i 得出设计离心址缩机和火箭 推动泵时引用分流叶片，可以相对减小进f | 堵塞，增大过流能力，减小汽蚀发乍 的可能性。同时还可以提高水泵性能，减小压力脉动，扩大水泵的运行范围。 博山水泵厂是我国最早对离心榘叶轮长短叶片m 隔布置进行研究的川。干集 忖【b 对n s = 3 6 的低比迷离心采在卢2 = 9 0 。时将1 2 枚叶片中的6 枚改成瓶叶片，泵 的扬程提高25 。文培仁等ii 在小流量化j 一用离心泵的石j 究中成功地应_ 1 j 了长 短l 叶片间| f 鬲布置的方案，并用十生产实践。袁寿其等0 i 对带分流叶片的离心泵 _ 轮采用l 9 ( 3 4 ) j f 交表进行试验，研究了偏氍度、进口直径、偏转角和叶片固定 位置4 个田素d3 种水平下对泵性能的影响，得到了与理论分析基本致的结果。 罗晟等【”l 通过改变叶片数和采用k 短叶片结构等方法分析j e 对离心叶轮内流场 江苏大学硕士学位论文 的影响，发现采用长短叶片可有效地改善流场的流动状况。徐洁等【1 2 l 通过对带 分流叶片叶轮内流场的数值计算，从流场分析的角度研究了分流叶片对整个流场 的速度及压力分布的影响。李文广【1 3 l 应用基于离散涡形式的奇点法，研究特低 比速离心泵叶轮内部流动特点，分析了分流叶片对流场的影响；结果表明，特低 比速离心泵叶轮内部存在大面积回流区；分流叶片可以控制回流区，提高长叶片 表面的液体静压力，并提高叶轮的扬程。何有世【1 4 】对分流叶片的不同偏置位置、 带分流叶片与不带分流叶片、分流叶片不同设计长度、设计工况与非设计工况等 情况下带分流叶片离心泵内部的真实流动特性作了较为深入全面的计算研究，揭 示了带分流叶片离心泵叶轮内三维湍流流动的速度分布、压力分布规律，并对部 分模拟计算模型进行了p i v 实验测试。崔宝玲等【1 5 】对8 叶片和2 4 叶片的高速复 合离心叶轮内部的流动进行了数值模拟，对小流量和设计点两种工况进行了计算 和对比分析，得到了叶轮内的速度和压力分布，发现叶片对液流有加功作用，可 以增加叶轮出口背面的压力，有效阻止液流的脱流；并通过实验和数值模拟，验 证了叶轮流道里的回流是影响低比速离心泵效率和小流量不稳定的一个重要因 素。耿少娟等【1 6 1 针对无短叶片、有长短叶片和短短叶片三种叶轮的离心泵，采 用非定常c f d 方法数值分析了设计工况点的整机全三维流场，讨论了不同叶片 形式对水泵扬程、进出口压力波动及叶片表面和中央回转面内参数分布的影响。 梁永仪1 1 7 】对低比转速单吸离心泵进行系列试验研究，通过对比转数n 。= 6 5 离心泵 叶轮6 只叶片中的3 只叶片在入口段切去1 5 的长度，形成长短叶片复合式叶轮， 切割后叶片的前缘分三种形式修整，分5 组进行了试验，试验结果表明，适当地 间隔切割叶片，在大流量区，会提高效率约3 左右，且可拓宽高效区，增大流 量，改善汽蚀性能。陈松山等【1 8 】选择l 9 ( 3 3 ) 正交表进行试验，研究了短叶片进口 直径、进口偏置角和出口偏置角3 个因素在3 种水平下对泵性能的影响，得出了 影响效率的主要因素为短叶片进口偏置角，而影响扬程的主要因素为短叶片进口 直径；当取短叶片进口直径为o 4 ( d 2 田j ) + d i ，进口偏置角1 0 。，出口偏置角 0 。时，泵的性能有明显改善。查森、杨敏割1 9 1 在研究提高低比转速离心泵效率 时，提出了超短叶片偏置设计法，短叶片的径向长度很短，短叶片的进口直径 d - ( 0 7 5 加8 5 ) d 2 。齐学义等i 捌提出了短叶片偏置应以使叶轮流道内部的回流区 域最小为准则，并应用滑移理论对偏置短叶片叶轮内部的回流区域的大小进行了 3 江苏大学硕士学位论文 分析，结果表明，当短叶片偏置为距离叶片工作面为0 5 5 - 0 6 5 栅距，短叶片长 度为稍大于长叶片的1 2 时效果最佳。倪永燕等t 2 1 】采用滑移理论分析分流叶片对 叶轮流场的作用，从数学和物理原理方面分析了分流叶片偏置的理论基础，并按 照正相对速度分布原则进行优化设计。潘中永等【2 2 】提出了以叶轮流道出口不出 现回流区域为目标建立叶片数计算公式及考虑叶片排挤系数的分流叶片进口直 径确定方法。张金凤、袁寿其等【2 3 】通过叶轮叶片上扭矩分析，并结合以往试验 和计算经验，给出适用于低比速离心泵分流叶片长度的设计公式。 综合上述，国内外学者通过实验，内流的数值模拟和p i v 测量等方法，对 带分流叶片进行研究，取得了一些重要成果。其中，分流叶片对离心泵性能的影 响，可以归纳为：可冲刷尾流，有效防止尾流产生和发展，增大了有限叶片修正 系数，从而增加泵扬程，可有效地改善叶轮内流速分布，提高泵的性能，能有效 的解决低比速离心泵三大问题( 效率低、扬程曲线易出现驼峰、大流量易过载) 。 此外对设计方法，优化改进，数值模拟以及内部流动规律等方面，取得研究成果 的同时还有待进一步探索，此外对生产实际领域的快速开发成本控制的研究还比 较少，特别是带分流叶片离心泵反问题设计方法的研究。 1 3 逆向工程研究现状 1 3 1 逆向工程概述 逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) ，也叫反求工程，是一项以先进产品， 设备的实物、样件、软件( 包括图样、程序、技术文件等) 或影像( 图片、照片 等) 作为研究对象，应用现代设计方法学，生产工程学、材料学和相关专业知识 进行系统的分析和研究、探索掌握其关键技术，进而开发出同类更为先进的产品 的技术【冽。逆向工程技术现已广泛地用于产品的复制、仿制、改进及创新设计。 利用逆向工程技术，可以直接在国内外已有的先进产品的基础上进行结构性能分 析、设计模型的重构、再设计优化与制造，吸收并改进国内外先进的产品和技术， 极大的缩短产品开发周期，更重要的是可以快速赶上世界先进生产技术水平，有 效地占据市场，领导技术前沿。因此逆向工程是一个“认识原型一再现原形一超 越原型”的过程，如图1 2 逆向工程工作流程。 4 江苏大学硕士学位论文 图卜2 逆向工程工作流程 目前，大多数关于逆向工程的研究主要集中在实物的逆向重构上，即产品实 物的c a d 模型重构和最终产品的制造，被称为“实物逆向工程 。这种从实物 样件获取产品数学模型并制造得到新产品的相关技术，已成为g 虹) ( 1 蝴系统 中的一个研究及应用热点，并发展成为一个相对独立的领域。在这一意义下，实 物逆向工程可定义为：将实物转变为c a d 模型相关的数字化技术、几何模型重 建技术和产品制造技术的总称瞄】。逆向工程包括以下几个关键技术：实物数据 测量；测量数据预处理；数据分割与曲面重构；整体c a d 模型重建( 曲面的建 立、裁剪、光顺等) ；重建数字模型的精度分析评价( 表面质量、产品可加工性等) ： 快速原型( r p ) 等。 1 3 2 逆向工程研究现状 在数字化测量设备方面，国外的许多产品功能强大，精度很高，但是价格比 较昂贵，如德国z e i s 公司推出u m m s 0 0 测量机，英国f e r r a n t i 公司推出的机械 接触式三坐标测量( c o o r c l i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，c m m ) ，德国g o m 公司的 a t o s 测量仪、英国3 d s c a n n e r 公司r e p l i c a 激光快速扫描测量仪、美国e a s e l d e s i g n d 公司的s u r v e y o r l 2 0 0 立体激光扫描系统等。在国内，数字化测量设备的 研制，与国外相比，由于国内起步晚，相对比较落后，但近年来国内加大对数字 化测量设备研发投入，许多科研机构创造出了重要的成果，有些已经产品化，比 如国内北京机床研究所研制出第一台c l w 6 3 型万能测量机，并研制出带气动导 轨c l z 8 6 4 型手动c m m ；华中科技大学研究开发了三维激光彩色扫描系统 5 江苏大学硕士学位论文 3 d l c s 9 5 等，虽然相对国外先进设备，精度以及功能方面还有差距，但由于价 格远远低于国外同类产品，测量精度、速度以及功能日益提高，因此有较大的发 展潜力与竞争力【硐。 在工程实践领域，目前较为成熟的方法为重构外形曲面来实现实物重建。常 用的曲面模型有b e z i e r ，b s p l i n e ，n u r b s 和三角b e z i e r 曲面，其中n u r b s 方 法是最强有力的曲线曲面表达模型，国际标准化组织( i s o ) 正式颁布的工业产品 数据表达及交换标准( s t e p ) 中，选用n u r b s 表达方法作为产品几何描述的主 要方法【2 刀。目前n u r b s 方法是逆向软件应用最为广泛的曲面模型。本文采用的 正是n u r b s 曲线曲面模型。 在逆向商用软件方面，目前广泛应用的有两类：第一类是专用的逆向造型软 件，如i m a g e w a r e 、r a p i d f o r m 、g e o m a g i c 等；第二类是基于正向的商品化 c a d c a m c a e 系统软件，如id e a s 、u g 、p r o e n d l l e c r 和c a t i a 等，为满足 复杂曲面重建的要求，一些软件商在其传统c a d 系统里集成了逆向造型模块， 较有代表性的如p r o e n g i n e e r 的s c a n t o o l s 模块、s t r i m l 0 0 的s u r f a c e r e c o n s t r u c t i o n 模块、u n i g r a p h i c s 中的p o i n tc l o u d 功能和c a t i a 中的d i g i t i z e d s h a p ee d i t o r 、q u i c ks u r f a c er e c o n s t r u c t i o n 模块等。国内，这方面相对处于劣势， 自主开发的商用逆向软件仅有浙江大学生产工程研究所的逆向工程c a d 软件 r e - s o f t 和西北工业大学的实物测量造型系统n p u s r m s ，无论功能还是精度 都无法与国外相关软件比拟。 1 4g f d 概述及研究现状 1 4 1c f d 概述网 任何流体运动的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。这些定律可以用数学方程组来描述，如欧拉方程、n s 方程。采用数值 计算的方法，通过计算机求解这些控制流体的数学方程，进而研究流体的运动规 律，这就是计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 。计算流体动 力学是建立在经典流体动力学与数值计算方法的基础上的一门新学科，通过计算 机数值计算和图像显示方法，在时间和空间上定量描述流场的数值解，从而达到 6 江苏大学硕士学位论文 对物理问题研究的目的。c f d 的基本思想是一个用一系列有限个离散点上的变 量值的集合来替代将空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场；然后，按 照一定的方式建立这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，通过求解代数方 程组获得场变量的近似值。 c f d 可以看成在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒 方程) 控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，得到复杂问题的基本物理 量( 如速度、压力、温度、浓度等) 在流场内各个位置分布，以及这些物理量随 时间的变化情况，确定漩涡分布特征、空化特性及脱流区等。还可以据此算出相 关的其他物理量，如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率等。 c f d 具有适应性强、应用面广的优点。由于流动问题的控制方程一般是非 线性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解，只有 用c f d 方法才有可能找出满足工程需要的数值解，而且利用利用计算机进行各 种数值试验，例如，选择不同流动参数进行物理方程中各项有效性和敏感性试验， 从而进行方案比较。另外，c f d 方法不受物理模型和实验模型的限制，省时省 钱，有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、 有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。 1 4 2 离心泵内部流动的数值模拟研究现状 随着计算流体力学发展，其在离心泵内部流动数值模拟方面的应用越来越广 泛。传统设计过程中，一个成功的水力设计模型往往要经过多次反性能试验模型 修改才能完成，采用c f d 仿真分析方法来代替性能试验，就可进行流场的校核 并预测泵性能，从而缩短产品开发周期和降低成本。 离心泵内部流动数值模拟可以分为以下三个阶段【冽：无粘性数值模拟、准 粘性数值模拟、完全粘性数值模拟。随着计算机技术高速发展，计算机流体动力 学也随之迅速发展，现阶段离心泵内部流动数值模拟的研究已经完全进入完全粘 性数值模拟。直接数值模拟( d n s ) 、大涡模拟( u 强) 、雷诺时均模拟广泛应用于 离心泵内部流动数值模拟。在湍流模型方面，由l a u d e r 和s p a l d i n g 于1 9 7 2 年提 出的标准肛占模型是当前工程上使用最为广泛的湍流模型，针对不同特点的流动 在标准如占模型基础上作了不同的修正，进而出现了r n gk - e 、r e a l i z a b l e 肛占模 7 江苏大学硕士学位论文 型等，使计算的精确度更高。 与此同时也逐渐突破单一叶轮数值模拟：左红梅等【蚓利用n u m e c a 软件， 基于b a l d w i n l o m a x 两层代数湍流模型对离心泵整机作了定常数值模拟。郭鹏程 等【3 1 】对设计工况下离心泵内的全三维湍流场进行了计算，表明考虑叶轮和涡壳 的耦合关系能较好地预测离心泵内部的流动。 在定常流动模拟的基础上，研究者开始深入模拟叶轮，叶轮涡壳相互干涉的 准非定常、非定常数值模拟。黎义斌【3 2 】对冲压焊接离心泵叶轮及涡壳耦合特性 进行准非定常数值模拟研究。m a j i d i 等p 3 l 利用c f x - t a s cf l o w 软件基于标准的 如占湍流模型对具有叶轮和涡壳的离心泵进行了非定常计算。g o n z a l e z 等应用 f l u e n t 软件基于标准肛占湍流模型对涡壳和叶轮间的相互作用进行了非定常的数 值模拟研究。 1 5r e 和c f d 相结合的离心泵现代设计方法 传统的离心泵的水力设计方法主要有：相似换算法、速度系数法、面积比原 理法、加大流量设计法、自由旋涡理论、优化设计方法( 速度系数法优化设计， 实验优化设计) 。 传统的设计主要是依赖经验和试验方法，采用多种模型及试验来筛选、改进， 最后定型。其一般过程剧3 5 l ：首先根据一元理论和经验进行初步水力设计，然 后进行样机试制，再对样机进行性能试验检测，如果性能不能满足设计要求，那 么就修改设计，再重复以上步骤，直到性能满足设计要求为止。因此一个成功的 水力设计模型往往要经过反复进行样机试制、性能试验和设计修改才能完成，其 缺点是设计周期长、工作量大、成本高。此外由于试验常常会受到各种客观条件 的限制，如模型大小、影响因素多样化、测试技术等的限制，使得试验一般只能 给出简单的物理量之间的关系，很难做到了解全特性，因此对内流情况很难准确 的掌握。 由于一个成功的水力设计模型往往要经过反复进行样机试制、性能试验和设 计修改才能完成，因此一个设计优良的离心泵，对于产品的设计开发具有很强的 参考借鉴意义。利用逆向工程技术，可以直接在国内外已有的先进离心泵产品的 8 江苏大学硕士学位论文 基础上进行结构性能分析、设计模型的重构，利用c f d 技术对泵内流场进行分 析，清晰的观察离心泵三维流场分布及泵内流动情况，同时对泵的性能进行预测， 以数值仿真代替或减少样品泵的试验，而达到评价的目的，然后通过改进再设计， 反复循环达到优化，以此吸收并改进国内外先进的产品和技术。结合逆向工程技 术与c f d 技术极大的缩短泵类产品开发周期，更重要的是可以快速赶上世界先 进生产技术水平，有效地占据市场，领导技术前沿。此外这种设计方法对其他产 品的快速开发，改进优化都具有很强的工程应用价值，如图1 3 传统离心泵设计 过程与结合r e 和c f d 离心泵现代设计过程对比图。 图卜3 传统离心泵设计过程与结合r e 和c f d 离心泵现代设计过程对比图 单独基于c f d 的设计方法，主要是根据初步设计出的离心泵，进行三维湍 流计算，根据计算结果，修正某些几何边界，再进行流动计算，采用人机对话， 反复迭代，得到满足要求的离心泵。结合r e 和c f d 离心泵现代设计与单独基 于c f d 的设计方法相比，数值模拟模型更加精确，开发周期更短，产品性能更 佳，能有效指导实践，对于新产品快速开发，提高市场竞争力，有重要意义。 9 江苏大学硕士学位论文 1 6 课题来源、目的、意义及主要内容 1 6 1 课题来源、目的及意义 本课题来源于江苏大学流体中心工程实际项目。以某品牌i s 8 0 5 0 2 0 0 型设 计优良带分流叶片离心泵叶轮为研究对象。 针对带分流叶片离心泵叶轮结构复杂，尚未形成成熟的设计方法，传统设计 开发成本高，内部流动复杂，未完全掌握内部流动规律等问题，本文利用c a t i a 对某品牌i s 8 0 5 0 2 0 0 型设计优良的带分流叶片离心泵叶轮进行逆向建模，并利 用c f d 商用软件f l u e n t 模拟其内部全流场，从而对模型进行评价，完成叶轮快 速开发，并通过此过程对带分流叶片离心泵的快速开发方法、内部流动规律、流 场分布以及分流叶片对低比速离心泵性能的影响进行一些深入的研究。 利用逆向工程技术和c f d 技术在设计优良的带分流叶片离心泵叶轮基础上 进行快速开发，在此过程中，采用逆向工程技术，对离心泵叶轮进行精确建模， 相对传统叶轮的水利设计方法，精确度可靠性大大提高；在精确模型的基础上， 采用c f d 技术对叶轮流场进行数值模拟，能够较准确的反映内部流动和流场分 布情况，评价叶轮设计的合理性，为改进优化指出方向。两者相结合能大大的缩 短开发周期，节约开发成本，显著提高离心泵的设计质量，无论对于国外先进离 心泵叶轮的配件国产化，离心泵叶轮的快速开发及改进设计以及整个离心泵产品 的自主创新设计，都具有很强的工程实用价值。同时以一个设计优良的带分流叶 片叶轮为基础，研究带分流叶片离心泵内部流动规律及分流叶片对低比速离心泵 性能的影响，相对随意设计的模型，精确度大大提高，对于今后相关研究，具有 理论意义和直接的工程应用价值。 1 6 2 研究的主要内容 本文利用江苏大学机械工程学院工业中心引进的a t o s 流动式光学扫描仪， 以c a t i a v 5 和f l u e n t 为软件平台，将逆向工程技术、结构光三维扫描测量、曲 面建模、三维实体建模、c f d 流动分析外特性预测等先进技术引入到带分流叶 片低比速离心泵的开发设计与特性规律研究上。 针对课题的要求以及生产实践的需求，结合国内外现状和现有的基础条件， 1 0 江苏大学硕士学位论文 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 概述逆向工程，c f d 技术及带分流叶片离心泵的研究现状，总结出带分 流叶片离心泵一些研究成果与不足。阐述基于逆向工程技术和c f d 技术 的离心泵现代设计方法； ( 2 ) 探讨逆向工程中数据采集方法，使用a t o s 流动式光学扫描测量获得带分 流叶片叶轮的点云数据； ( 3 ) 研究逆向工程中曲面重构，模型重建一些方法，使用c a t i a v 5 对叶轮进 行逆向设计，得到叶轮c a d 模型。从中得出一些逆向建模的技巧方法； ( 4 ) 根据逆向重建的模型提取叶轮流道模型，并根据已有原型泵性能参数以及 叶轮几何参数，设计离心泵的涡壳并且建立c a d 模型； ( 5 ) 研究c f d 技术的一些基本原理及应用，使用c f d 通用商业软件f l u e n t 对泵整机进行数值模拟；对设计的分流叶片低比速离心泵进行评价，分析 不同流量工况下的速度场和压力场，并且预测外特性，绘制特性曲线；对 分流叶片离心泵内流情况和特性曲线进行深入的研究，得出一些带分流叶 片离心泵内流规律与分流叶片对低比速离心泵性能的影响： ( 6 ) 对比分析模拟的特性曲线与原型泵的试验特性曲线，验证计算结果的可靠 性与设计方法的可行性，分析产生误差的原因；针对分析结果提出改进优 化措施。 江苏大学硕士学位论文 第二章带分流叶片离心泵叶轮的逆向设计 2 1 叶轮表面特征数据采集 实物零件的数据采集是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散 点的几何坐标数据。只有获得了样件的表面三维信息，才能实现复杂表面的建模、 评价、改进、制造。因此，高效、高精度地实现样件表面的数据采集，是逆向工 程实现的基础和关键技术之一陋】。该技术的好坏直接影响对实物零件描述的精 确度和完整度，从而影响重构曲面实物模型的质量，最终影响加工出来的产品是 否真实反映原始的物体模型。 2 1 1 数据采集方法1 2 5 1 实物零件三维表面的数据采集可分为接触式采集和非接触数据采集两大类。 各种测量方法的具体分类如图2 - 1 所烈蚓 数据采集方法 非接触式 光学式ii 非光学式 驯引幽斟倒 图2 - 1 表面数据采集方法的分类 1 接触式数据采集方法 接触式数据采集方法包括基于力一变形原理的触发式数据采集，连续扫描式 数据采集和基于磁场、超声波的数据采集等。典型的接触式测量设备是三坐标测 量机( c o o r d i n a t i o nm e a s u r i n gm a c h i n