（流体机械及工程专业论文）导叶蜗壳组合式消防离心泵全流场数值模拟及试验研究.pdf

学位论文版权使用授权书 m l l l l l i i f l i | | i | 1 1 1 i | i f l f l i i y 1910 4 7 9 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子 杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和 借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库并 向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论文编入中国优秀博 硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学 研究生处办理。 本学位论文属于不保密留。 学位论文作者签名：豸昃蒸苛生 沙f f 年7 月岁日 指剥币躲纠瑞 ，年6 月，媚 导叶一蜗壳组合式消防离心泵全流场数值模 拟及试验研究 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho n v b l u t e - d i f f u s e rc o m b i n e dc e n t r i f u g a if i r ep u m p 姓 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 本课题属于国家科技支撑计划项目( 项目编号：2 0 0 8 b a f 3 4 8 1 0 ) 。 消防泵作为消防防火的核心设施，对人民生命财产安全具有极其重要的作用。 根据森林消防应用领域的特点，通常期望消防泵的扬程特性曲线平坦，大流量区 的扬程不会有大幅度的下降，小流量区的扬程曲线无驼峰、高效区宽、使用范围 宽；在操作方面，由于森林地区交通不便，电力供应匮乏，火点分散等特点，要 求消防泵具有便携，高效的特点。因此，消防泵在水力性能及结构设计均提出了 较高的要求，研究消防泵内部流动机理及其水力性能影响因素，为消防泵的设计 提供参考依据。 本文是在前人对消防泵理论和试验研究的基础上，应用c f d 技术，通过理论 分析，数值模拟及试验，对导叶一蜗壳组合式消防离心泵外特性预测进行了分析， 主要研究成果和结论如下： 1 、简要介绍了c f d 基本的理论，并给出了泵静止部件与转动部件在c f d 求 解过程中使用的控制方程，编写了泵进口圆截面上的速度分布u d f 源程序，替代 以往泵数值计算过程中使用进口平均流速的方法，使得泵进口处速度分布更符合 实际。 2 、泵的计算域由叶轮、蜗壳、导叶、前腔和后腔等组成，对计算域进行网格 划分，基于不同网格尺寸进行对比分析，在设计工况下，网格尺寸为1 0 m m 、 1 2 m m 、1 4 m m 、2 o m m 时预测效率分别为6 8 、6 7 、6 7 、6 6 ；预测效率偏 差仅为2 ，确定了数值计算所选用的网格数量。 3 、采用s t a n d a r d 七、r n g 七- 、r e a l i z a b l e 七- 、s s t 七湍流模型预测效率 分别为6 4 5 1 、6 6 4 5 、6 3 6 7 、6 3 3 2 ，确定了计算湍流模型，并对泵内部流 场进行了数值模拟。 4 、在表面粗糙度r = o 0 5 m m o 2 m m 范围内，对泵外特性受表面粗糙度的影 响进行了数值模拟，发现扬程随粗糙度的变化而变化。结果表明：随着表面粗糙 度的增加，泵扬程特性曲线呈现平行下移趋势，在r = 0 1 m m 时，预测扬程曲线与 试验扬程曲线较吻合，此时，试验效率曲线比较接近r = 0 0 5 m m 与r = o 1 m m 的预 测效率曲线。 导叶一蜗壳组合式消防离心泵全流场数值模拟及试验研究 5 、采用非定常算法对导叶一蜗壳组合式消防离心泵的全流场进行了数值模 拟，并在模拟过程中设置了不同的时间步长进行计算，研究了泵的扬程、效率随 时间的周期性变化，时间步长对泵外特性的影响以及叶轮转动角度对泵内流场的 影响。 6 、通过数值模拟和试验的对比分析表明，在全流场模拟的基础上，数值模拟 结果与试验数据较吻合，验证了数值模拟在泵性能预测方面的可行性。 本文通过理论分析、数值模拟及外特性试验对导叶蜗壳组合式消防离心泵进 行了研究，探讨了湍流模型、网格尺寸、过流部件表面粗糙度、叶轮转动位置以 及时间步长尺寸等对泵内流场及其外性能的影响，为今后该类型离心泵的优化设 计提供参考依据。 h 关键词：消防泵，全流场，数值模拟，性能预测，试验研究 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h es u b j e c tb e l o n g st ot h en a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g ys u p p o r tp r o j e c t ( p r o j e c tn u m b e r ：2 0 0 8 b a f 3 4 8 1 0 ) a st h ec o r ef a c i l i t i e sf o rf i r ep r o t e c t i o n ，f i r ep u m p sp l a yav e r yi m p o n a n tr o l ei nt h e s a f e t yo fl i f ea n dp r o p e n y b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa p p l i c a t i o n si nf o r e s tf i r e ，t h ef i r e p u m p sq hc u r v ei su s u a n ye x p e c t e dt ob es m o o t h a tt h ep a r to fl a r g en o wr a t e ，q - h c u r v ew o n td e c r e a s es h a r p l y ，a n di ns m a l ln o wr a t ea r e a ，t h e r es h o u l db eh u m p - f r e e w i t hal a 唱eh i g h - e f ! f i c i e n c ya n dw i d e l ya p p l i c a b l ea r e a a sf a ra st h ef i r ep u m p s o p e r a t i o n sc o n c e r n e d ，d u et ot r a m ci n c o n v e n i e n c e ，l a c ko fe l e c t r i c i t ys u p p l ya n dt h e d i s p e r s e d f i r e p o i n t s o ft h ef b r e s t a r e a s ， i t r e q u i r e sh i g hp o n a b i l i t y a n d e f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，t h ef i r ep u m p sh y d r a u l i cp e r f b 咖a n c ea n ds t r u c t u r a ld e s i g i l s h o u l dr e a c h h i g h e r c r i t e r i a t h er e s e a r c hs t u d i e st h es t r u c t u r ea n dh y d r a u l i c p e r f o 肌a n c eo ff i r ep u m p s ，f i g u r e so u tt h ef a c t o r sa f ! i i e c t i n gt h ep u m p s h y d r a u l i c p e r f b 肌a n c ea n di n t e r n a ln o wm e c h a n i s m ，a n dp r 0 v i d e sr e f 色r e n c e st 0t h ed e s i g n0 ft h e f i r cp u m p b a s e do nt h ep r e v i o u st h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h ef i r ep u m p ， u t i l i z i n gt h ec f dm e t h o d ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c ha r ec 0 n d u c t e dt oa n a l y z ep r e l i m i n a r yt h ee x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c sf o r e c a s to f t h ei n t e r n a ll o s so fi m p e n e r - v o l u t ef i r ep u m p t h em a i nr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea s f o l l o w s ： 1 t h eb a s i ct h e o r yo ft h ec f dw a sb r i e f l yi n t r o d u c e d ，a n de q u a t i o n so ft h e p u m ps t a t i o n a r yc o m p o n e n t sa n dr o t a t i n gp a n su s e di nt h e ( ：f ds o l u t i o np r o c e s sw e r e g i v e n ，t h ei n l e tv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no nt h ec i r c u l a rc r o s ss e c t i o nw a sc o d e du s i n gu d f s o u r c ec o d e ，t h ep r e v i o u sv a l u eo fc e n t r i f u g a lp u m p su s i n gt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do f m e a nv e l o c i t y0 fi n l e tw a sr e p l a c e dt om a k et h ep u m pi n l e tv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nm o f e r e a l i s t i c 2 t h ep u m p sc o m p u t a t i o n a ld o m a i nc o n s i s t so fi m p e l l e r v o l u t e ，d i f ! f u s e r ，f r o n t c a v i t y ，o r a lc a v i t ya n dt h er i n gg a p ，e t c t h ec o m p u t a t i o n a ld o m a i nw a sm e s h e d ， d i f f e r e n tm e s hs i z ec a l c u l a t i o nr e s u l t sw e r ea n a l y z e dt od e t e r m i n et h em e s hs i z ef o r i 导叶一蜗壳组合式消防离心泵全流场数值模拟及试验研究 s i i i l u l a t i n gt h ec e n t r i f u g a lp u m p 3 a d a p t i n gs t a n d a r dk - 、r n gk - 、r e a l i z a b l ek - 、s s tk - t u r b u l e n c em o d e lt o s i m u l a t et h ew h o l ec o m p u t a t i o n a ld o m a i n ，a n dt h ep r e d i c t i o ne f f i c i e n c yi s6 4 51 、 6 6 4 5 、6 3 6 7 、6 3 3 2 s e p a f a t e l y b a s e do nt h e s ee 彤c i e n c i e s ，w ec h o o s et h eb e s t t u r b u l e n c em o d e lt of u r t h e rs i m u l a t et h ep u m p 4 w i t h i nt h es u r f a c er o u g h n e s so fr = 0 0 5 m m 一0 2 m m ，t h ee x t e m a lc h a r a c t e r i s t i c s o ft h ep u m pu n d e rt h ei n n u e n c eo fs u r f a c er o u g h n e s sw a ss i m u l a t e dt os e eh o wt h e h e a di sc h a n g e dw i t ht h er o u g h n e s s t h ef e s u l t ss h o w e dt h a t ：w i t ht h ei n c r e a s eo f s u r f a c er o u g h n e s s ，t h ep u m ph e a dc h a r a c t e r i s t i cc i l e sw e r ep a r a l l e l t ot h ed o w n w a r d t r e n d ，w h e nr = o 1 m m ，t h ep r e d i c t e dc u ei si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a l c u e ，a n d ，t h et e s te f ! f i c i e n c yc u r v ei sc l o s et ot h ep r e d i c t i o ne m c i e n c yc l l ew h e nr = 0 0 5 m ma n dr = 0 1 m m 5 u s i n gu n s t e a d ys i m u l a t i o na l g o r i t h mt os i m u l a t et h ef l o wf i e l d ， a n ds e t t i n g d i f ! i e r e n t u n s t e a d yt i m es t e p s i z ef b rad i 骶r e n tc a l c u l a t i o n p r e d i c t i o n o ft h e c e n t r i f u g a lf i r ep u m pw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es m a l l e rt h et i m es t e pi s ， t h ee a s i e ri ti st oc a p t u r et h ep u n l pn u c t u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h en o wp a r a m e t e r s ； t h er e l a t i v ee r r o r s0 ft h eh e a da n de f j f i c i e n c yc h a n g ep e r i o d i c a l l ya l o n gw i t ht h e i m p e l l e rr o t a t i n gp o s i t i o n 6 b yc o m p a r i s o n ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n t h ew h o l en o wf i e l ds i m u l a t i o n a g r e e sw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，w h i c hv e r i f i e st h ev i a b i l i t yi np r e d i c t i n gt h e p e 哟m a n c eo ft h ep u m pu s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e i m p e l l e r - v o i u t ec e n t r i f u g a lf i r ep u m pw a si n v e s t i g a t e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ， n u m e r i c a ls i i n u l a t i o na n de x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c s t e s t ，a n dt h ei n f l u e n c e so ft u r b u l e n c e m o d e l ，g r i ds i z e ，s u r f a c er o u 曲n e s so fn o wc o m p o n e n t s ，i i i l p e l l e r sr o t a t i n gp o s i t i o n a n dt h et i m es t e ps 娩eo nt h ep u m pf l o wf i e l da n dt h ee x t e m a lc h a r a c t e r i s t i c sw e r e s t u d i e d t h er e s u l t sp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h eo p t i m i z a t i o no ft h i s t y p e o f c e n t r i f u g a lp u m p sd e s i 印 k e y w o r d s ： f i f e p u m p ， w h o l en o w f i e l d ， 肌m e r i c a l s i m u l a t i o n ，p e r f b 衄a n c e i v p r e d i c t i o n ， t e s tr e s e a r c h 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。1 1 1 研究的背景及意义1 1 2 消防离心泵的研究现状5 1 3 本文研究的主要内容7 第二章离心泵内部流场数值解法及性能预测8 2 1 引言：8 2 2 流动控制方程8 2 2 1 惯性坐标系下泵静止过流部件内部流动控制方程8 2 2 2 旋转坐标系下叶轮内部流动控制方程8 2 3 三维湍流数值模拟方法9 2 4 湍流计算模型1 0 2 4 1 标准七模型1 0 2 4 2r n g 七模型1 1 2 4 3r e a l i z a b l e 七s 模型1 2 2 4 4s s t 七模型1 2 2 4 5 湍流模型适用性1 3 2 5 控制方程的离散1 3 2 5 1 有限体积法1 3 2 5 2 有限体积法常用的离散格式1 4 2 6s i m p l e 算法1 5 第三章导叶蜗壳组合式消防离心泵数值模拟方案1 7 3 1 概述。1 7 3 2 计算区域与边界条件1 7 3 2 1 模型泵参数1 7 3 2 2 计算区域及网格划分。1 8 3 2 3 边界条件2 0 3 3 离心泵外特性预测2 2 3 3 1 扬程的预测2 2 3 3 2 轴功率的预测2 3 v 导叶一蜗壳组合式消防离心泵全流场数值模拟及试验研究 3 3 3 效率的预测2 3 3 4 网格尺寸的确定2 3 3 5 不同湍流模型计算结果的比较2 5 3 6 表面粗糙度对泵外特性影响的数值预测2 9 3 7 本章小结3 2 第四章导叶蜗壳组合式消防离心泵非定常数值模拟。3 3 4 1 概述3 3 4 2 时间步长大小对计算结果的影响3 3 4 3 叶轮转动位置对泵外特性的影响3 5 4 4 叶轮转动位置对内流场的影响3 9 4 4 1 叶轮转动位置对压力场的影响。3 9 4 4 2 叶轮转动位置对速度场的影响。4 2 4 5 本章小结4 5 第五章导叶蜗壳组合式消防离心泵数值模拟与试验对比4 6 5 1 试验条件4 6 5 2 导叶蜗壳组合式消防离心泵试验4 6 5 3 数值模拟与试验结果对比分析4 9 5 4 本章小节5 0 第六章总结与展望5 l 6 1 总结。5 1 6 2 展望。5 2 j g c 谢5 4 参考文献5 5 攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文砷 v i 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的背景及意义 本课题属于国家科技支撑计划项目( 项目编号：2 0 0 8 b a f 3 4 8 1 0 ) 资助。 我国地域辽阔，地形复杂，气候多样，森林类型与分布各异，再加上社会发 展水平不一，森林火灾状况在各地存在很大的差异，致使森林防火的工作面临的 任务十分艰巨。据统计，从1 9 5 0 年至1 9 8 7 年的3 8 年间，全国平均发生火灾1 5 8 3 8 次，火灾发生率为1 3 9 次1 0 万h m 2 ，年均受害森林面积9 4 万h m 2 ，森林火灾受害 率平均8 5 ，是世界平均水平的8 倍，全国因森林火灾年均伤亡8 0 0 人。1 9 8 7 年大兴安岭“5 6 大火后，全国上下加大了森林防火工作力度，党中央、国务院 采取了一系列加强森林防火工作的重大措施，并于1 9 8 8 年1 月颁布了我国第一部 森林防火行政法规森林防火条例，防火组织体系逐步建立，基础设施建设 得到加强。据统计，在1 9 9 8 至2 0 0 0 年1 3 年间，全国平均发生森林火灾7 0 0 0 次， 受害面积5 万多h m 2 ，森林火灾受害率0 4 ，远远低于1 的世界平均水平，年 均伤亡2 6 0 多人，比1 9 8 7 年前分别下降了近5 2 和5 4 。近十几年来，中国的 森林防火工作虽然取得了一定成绩，但不能盲目乐观。中国的森林防火工作总体 上还处于一个较低水平，预防上死看死守，扑救上人还战术，指挥上凭老经验， 手段上原始落后，基础性的研究欠缺，随着经济形势的发展，森林防火工作面临 许多新情况、新问题，任务越来越重，要求越来越高，形势依然十分严峻【1 1 。 消防泵作为消防防火的核心设施，对人民生命财产安全具有极其重要的作用。 根据森林消防应用领域的特点，在性能方面，通常期望消防泵的扬程特性曲线平 坦，大流量区的扬程不会有大幅度的下降，小流量区的扬程曲线无驼峰，高效区 宽，使用范围宽【2 l ；在操作性方面，由于森林地区交通不便，电力供应匮乏，火 点分散等特点，要求消防泵具有便携，高效的特点【3 1 。因此，消防泵在传统的离 心泵水力设计基础上，对水力性能及结构设计均提出了较高的要求，研究消防泵 水力性能，掌握其水力性能影响因素及内部流动机理，为消防泵的设计开发提供 参考，具有重要的意义。 导叶一蜗壳组合式消防离心泵全流场数值模拟及试验研究 1 2c f d 技术在水力机械中的应用 1 2 1c f d 技术概述 c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 数值模拟技术开始于2 0 世纪7 0 年代，当 时多采用二维无粘方程进行研究，计算结果精度较差。2 0 世纪8 0 年代开始求解 三维雷诺时均n a v i e 卜s t o k e s 方程，但由于受到计算机计算速度和存储容量的限制， 大多是方法的探索性研究，应用研究较少。近年来，随着计算机技术的快速发展， 复杂流动问题的计算也迅速发展，c f d 越来越受重视。多种大型通用商业计算软 件相继问世，应用已从最初的航空领域扩展到包括离心泵在内的多个领域。同时 计算流体力学已从定性分析发展到定量的计算，正在逐步成为c a d 系统中的一个 重要组成部分。通过这种“数值试验 可以充分认识流动规律，方便地评价、选 择多个设计方案，进行优化设计，并大幅减少实验和测试等实体试验研究工作量。 在降低设计成本、缩短开发周期及提高自主开发能力等方面，计算流体力学都可 起到重要的作用f 4 - 7 1 。 1 2 2 数值模拟方法发展的三个阶段 叶轮机械作为流体机械中一个重要的工程领域，不但为c f d 提供了一个广阔 的施展空间，同时也推动着c f d 技术不断向前发展。受叶片高度扭曲和高速旋转 的影响，叶轮内部流动比较复杂。随着实验研究的深入，离心叶轮机械内部的数 值模拟工作也开始逐步展开。并且随着计算机及流体力学的发展，离心泵内部的 数值模拟，已由无粘性发展到粘性，由二维、准三维到全三维。其发展过程大致 可以分成三个阶段【8 】： ( 1 ) 无粘流数值模拟阶段 早期研究受计算机技术的制约，离心泵内流计算常简化为二维不可压势流。 奇点一面元法是该时期最早运用于离心泵叶轮内流计算的方法之一。1 9 5 2 年，吴 仲华教授提出了s 1 、s 2 两类相对流面理论，对叶轮机械内部流动的数值模拟产生 了深远的影响，出现了准三维和全三维势流的无粘数值模拟1 9 1 。采用& 、& 流面 相互迭代的方法，人们还得到如流线曲率法【1 们、准正交面法【1 1 】等一些新的计算叶 轮内部流动的数值方法。流线曲率法是采用积分任意准正交线上的速度梯度方程， 得出该准正交线上的速度，利用连续性方程校核各通道截面上的流量，反复迭代 直到满足给定的流量计算精度为止。该方法较为简单，要求的计算机内存较小， 2 江苏大学硕士学位论文 但引入的假设较多，流线曲率的计算有一定任意性，使得计算精度下降。准正交 面法在求解叶轮机械无粘流场的方法中应用较广，它具有方法简明、步骤清晰、 计算速度快和占用内存少等优点，可用于计算三维无粘流场。至2 0 世纪7 0 年代， 无粘数值模拟已达到相当高的水平，并陆续应用于工业设计中。 ( 2 ) 准粘性流数值模拟阶段 2 0 世纪8 0 年代至9 0 年代，随着计算机技术的发展，为了综合考虑叶轮内流 的粘性、回流及旋涡对内流的影响，开始出现了更为复杂的数值计算方法，例如 势流一边界层的迭代法、射流一尾流模型、涡量一流函数法。势流一边界层迭代 法相对完全粘性数值模拟方法占用计算机内存较少，计算效率较高，对于叶轮机 械内部存在着旋涡、二次流、脱流和叶尖间隙损失的复杂流动是一种比较好的解 决方法。1 9 8 0 年，m o o r e j g 采用势流一边界层迭代法对e c k a r d t 的试验叶轮进行 了数值模拟，但势流一边界层迭代法在端壁和间隙处不适用。由于这些方法计算 量较少，近期国内外仍有较为广泛的应用，尤其是势流一边界层迭代法【1 2 1 4 1 。 ( 3 ) 完全粘性流数值模拟阶段 2 0 世纪9 0 年代以后，大容量、高速度计算机的出现、矢量机的问世以及并 行计算技术的发展，极大地推动了计算流体力学的发展，叶轮机械内流数值模拟 进入了一个三维粘性数值模拟时期，通过直接求解r e v n o l d s 时均化的n a v i e r s t o k e s 方程组，结合湍流模型来计算叶轮内的三维粘性流动成为叶轮机械内部流 动数值模拟的主流。但由于没有显式的压力方程，在不可压缩流体流动的计算中 确定压力场成为了难题。为了解决这一问题，已发展了各种用原始变量作为求解 变量的数值方法。这些方法之间主要差别在于推求压力场的方法。目前已形成了 拟压缩性方法、分块隐式有限差分法、时间推进法和压力修正法等主要的数值方 法，其中以时间推进法和压力修正法应用最为广泛。 1 2 3c f d 技术在泵中的应用 随着计算机技术和计算流体力学的发展，人们对泵进行理论分析、试验研究 和内流场测试的同时，也开始注重数值模拟在泵领域的应用。近年来，流场数值 模拟在泵的内部流动研究方面得到了广泛的应用，各国学者结合c f d 技术在如下 三个方面对泵进行了深入的研究【15 1 。 ( 1 ) 泵内流场分析及外特性预测 3 导叶一蜗壳组合式消防离心泵全流场数值模拟及试验研究 1 9 8 7 年，卢伟真、吴达人【1 6 】在三元流动理论的基础上编制了基于流线曲率法 的离心泵叶轮内流场的求解程序，对比分析了不同出口角叶轮的计算结果与试验 结果，为叶轮的筛选和设计方法的改进提供了依据。1 9 8 8 年，吴达人、陈胜利【1 7 】 基于流线曲率法计算了叶轮内的速度分布，并讨论了载荷分布与叶轮性能的关系， 得出了叶轮的最佳载荷分布规律。吴达入、景思睿等人【1 8 】对3 b 一3 3 型离心泵叶轮 进行数值计算并基于计算结果进行了改型，测试对比了泵的外特性和叶轮效率。 从上述文献可以看出，8 0 年代我国泵研究工作者已经开始运用c f d 技术研究泵 内部流动状况，并基于计算结果进行泵的优化设计。进入2 0 世纪以来，c f d 技 术广泛应用于泵的内流场分析及外特性预测【1 9 枷】，吴玉林、刘厚林等一大批国内 学者基于商用c f d 软件对各类泵的内流场及离心泵外特性的数值预测方法进行 了探讨。吴玉林等人通过大涡模拟计算了离心泵叶轮内部的相对压力场及相对速 度场，以及固相的颗粒分布和相对速度场，结果表明压力和颗粒分布结果与试验 结果吻合，从而验证了数值方法的准确性。刘厚林等【扯2 9 】基于c f d 技术分别对泵 的各部件( 叶轮、蜗壳) 流道内流场进行了分析。国外的一些学者在进行离心泵内 流场分析的同时，运用c f d 技术对滑移系数、叶轮切割等进行研究【3 0 。3 8 1 。 s c m y u p 0 隧用c f d 技术预测离心血泵内的应力水平。j i a n j u nf e n g 等人f 3 1 - 3 4 】对离 心泵内流场进行模拟。k h a l a f a l l a h m g 、y k k e 等人f 3 4 3 6 】对泵的外特性曲线进行 了预测。m a r i o a v a r 等人【3 7 】贝i j 借助c f d 技术研究了叶轮切割量对泵效率的影响。 m o h a m a dm e m a r d e z f o u l i l 3 8 】采用理论分析，数值模拟及试验分析的方法研究了泵的 滑移系数。 ( 2 ) 汽蚀性能分析预测 汽蚀是以液体为工作介质的水力机械中特有的物理现象。离心泵在运转过程 中，流道内各处的压力是不相等的，当流道内压力达到液体的汽化压力时，液体 开始发生汽化，随着压力的降低，汽泡增加，当汽泡随液体运动至高压区时，汽 泡发生溃灭。我们把伴随着汽泡产生、发展和溃灭以及对泵内过流壁面产生物理 和化学作用的整个过程称为汽蚀。汽蚀现象对泵的安全运行存在不利影响，国内 外许多学者对汽蚀现象进行了深入研究。潘中永、倪永燕等人【3 9 l 根据离心泵汽蚀 余量公式分析了影响汽蚀特性的因素，并发现最高汽蚀比转速对应的最优叶片进 口安放角处在1 0 。一3 0 。之间。刘宜、赵希枫等人1 4 0 】基于c f d 技术得到了定常和非 4 ， 江苏大学硕士学位论文 定常情况下空化余量和扬程曲线，并有效的预测了叶轮流道内汽蚀发生的部位以 及汽蚀发展情况。朱荣生、付强等f 4 1 】采用两相流混合模型对叶轮内定常三维湍流 汽蚀流场进行数值模拟，并揭示了汽蚀两相流场的内在特性。黄思、管俊【4 2 】采用 r a y l e i g h p l e s s e t 气泡方程建立离心泵空化模型，捕捉到了气泡的产生、发展及冷 凝过程，得到了不同流量下泵的必需汽蚀余量。r i c h a r db m e d v i t z 等人【4 3 】采用 c f d 多相流模型分析了汽蚀条件下的离心泵特性，捕捉到了低汽蚀数时各流量工 况下扬程曲线快速下降特征。 ( 3 ) 泵内部流动不稳定特性研究 泵内部的不稳定特性主要有动静干涉、旋转失速、汽蚀以及二次流等。动静 干涉引起的流动不稳定性是泵内部最明显也是最容易判断的一种不稳定流动特 征。近几年来，国内外对流体机械中的动静干涉进行了大量的c f d 研究【件5 6 1 。徐 朝掣4 5 】采用r n g 湍流模型对泵内动静干扰引起的三维非定常湍流进行了计算， 得到了旋转叶轮与固定导叶间流体的湍流特征。黄思等人m 】基于标准湍流模型对 多级离心泵的动静干涉现象进行研究，分析了叶轮旋转引起的径向力、静压等参 数出现脉动特信号的频率与动静叶片的关系。田辉【4 7 】对一台单吸单级离心泵进行 三维非定常数值模拟，得到了蜗壳几何形状不对称性影响了动静干涉作用在离心 泵内部的传播，引起了离心泵内流动在周向分布不均匀现象。杨敏【4 8 】则对双蜗壳 泵进行了压力脉动及径向力的研究。j o s eg o i l z a e z 、c h i s a c h ik a t o 等【4 9 - 5 6 】一批国外 学者也对离心泵的动静干涉现象进行了详尽的论述。而在小流量工况下，由于入 口液流角的发生变化，使液流方向与叶轮叶片或导叶叶片的进口叶片安放角的方 向不一致，流动在叶片进口边的吸力面发生分离，且导致强烈不稳定涡流，涡流 迅速向流道进口处发展，形成三维的失速团，阻塞进口。这些失速团以小于叶片 通过频率十分之一的速度传播，是引起泵在小流量工况下出现正斜率流量扬程曲 线的主要原因，目前已有学者采用c f d 技术研究旋转失速现象【珏5 9 1 。 1 3 消防离心泵的研究现状及发展趋势 1 3 1 国内研究现状 消防离心泵是在普通消防泵的基础上发展起来的，其本身并没有专门的设计 理论，设计及性能测试均参照普通消防泵进行。我国在1 9 8 6 年起草了g b 6 2 4 5 8 6 车用消防泵性能要求和试验方法，1 9 9 8 修订为g b 6 2 4 5 9 8 消防泵性能要求 5 导叶一蜗壳组合式消防离心泵全流场数值模拟及试验研究 和试验方法，2 0 0 6 年第二次修订为g b 6 2 4 5 2 0 0 6 消防泵，在制度上规范了消 防泵的设计生产，同时随着时间的推移逐步提高消防泵的生产测试的技术要求， 为我国消防泵的生产制造指明了方向【删。我国的水泵设计院所及生产厂家等都对 消防泵进行了大量的研究探索，机械工业第一设计院罗定元【6 1 】对恒压切线消防泵 的工作特点及设计要点进行了阐述，上海凯泉泵业集团有限公司范宗霖【6 2 】等为获 得较平坦的扬程性能曲线对消防切线泵进行了试验研究，确定了几何设计参数对 切线泵性能的影响，满足了扬程曲线的平坦要求；江苏大学张德胜【6 3 】通过数值模 拟与试验的对比分析提出了消防泵叶轮设计的参数选择原则，并在此基础上设计 开发了x a 3 2 2 0 2 1 1 型消防泵，同时，基于加大流量设计法，采取增加分流叶片 和增大喉部面积等措施，提出了低比速离心式消防泵的设计方法；公安部上海消 防研究所王丽晶【“1 开发了用于消防泵叶轮设计的c a d 系统。在消防泵研究发展 的同时，专门为森林灭火所设计的消防泵的研究也得到了广泛关注，北京林业大 学对导叶一蜗壳组合式消防离心泵进行了大量的研究f 6 5 击7 1 ，乔启宇提倡使用结构 紧凑、效率优异的导叶一蜗壳组合式消防泵进行森林灭火；王海明等基于b j l - 5 型消防泵对导叶一蜗壳组合式消防泵的结构特点进行了介绍并对该类型泵进行改 进，提高了导叶一蜗壳组合式消防泵的运行可靠性；陈平等人对b j l 广5 型泵进行 c f d 分析，并对该型泵的性能进行分析和预测；贾大伟等人基于c m 优化了b j l - 5 型消防泵的平衡盘的各个基本参数，并分析了平衡盘问隙对泄露以及平衡装置性 能的影响。 1 3 2 国外研究现状 美、英、德、日、奥地利等国家在消防供水设备技术研究中针对他们国家各 自的需要采用了多种方法，但他们有着许多共同点【删，主要是： ( 1 ) 在国家标准中明确规定消防泵不同工况的性能参数。如美国规定消防泵 1 0 0 ，7 0 ，和5 0 额定流量所对应的出口压力和长时间运转的不同工况的要求。 ( 2 ) 把一般消防泵设计成具有中低压性能，个别消防泵还具有高低压性能。 ( 3 ) 国外消防泵采用变转速方法扩大使用范围，而美国、日本采用串联叶轮的 结构形式，在同一转速就具备两种工况，使消防泵具有中低的使用功能。 ( 4 ) 进行水喷雾灭火战术的研究，提高水的利用率，减少水渍损失。 6 江苏大学硕士学位论文 1 4 本文研究的主要内容 本文是在前人对消防泵理论和试验研究的基础上，结合c f d 技术，通过理论 分析，数值试验，性能预测及试验研究，对导叶一蜗壳组合式消防离心泵的外特 性预测及内部流动进行了分析，本文的主要研究内容有： 1 、基于p r o e 、g a m b i t 软件对导叶一蜗壳组合式消防离心泵叶轮、导叶、 蜗壳等部件进行了三维实体建模、网格划分，并运用f l u e n t 软件建立了数值计 算模型。 2 、应用f l u e n t 软件的定常算法对导叶一蜗壳组合式消防离心泵的全流场 进行模拟，并通过改变网格尺寸以及湍流模型对泵外特性进行预测，确定非定常 计算所使用的网格尺寸及湍流模型。 3 、基于选定的网格尺寸及湍流模型，对表面粗糙度改变情况下的泵全流场进 行模拟，以获得扬程、效率随表面粗糙度的变化曲线，分析表面粗糙度对泵外特 性的影响。 4 、对导叶一蜗壳组合式消防离心泵全流场进行非定常数值模拟，预测h 、瑁 随叶轮转动角度的波动曲线，探讨时间步长对数值计算结果的影响并分析叶轮转 动位置对导叶一蜗壳组合式消防离心泵内流场及外特性的影响。 5 、结合试验验证采用数值模拟方法预测导叶一蜗壳组合式消防离心泵外特性 的可行性和准确性。 7 导叶一蜗壳组合式消防离心泵全流场数值模拟及试验研究 第二章离心泵内部流场数值解法及性能预测 2 1 引言 在应用f l u e n t 软件对导叶一蜗壳组合式消防离心泵内流场进行数值模拟的