（机械设计及理论专业论文）一种低比转速离心水泵叶轮的改进设计.pdf

。i lr l l l l lii ri i i l lli i i iiii y 17 4 9 8 4 9 t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n ji nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h em a s t e r sd e g r e e i m p r o v e m e n td e s i g n f o ri m p e l l e ro fa 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 b y f e n gx i n l i a n g s u p e r v i s o r p r o f g u oj i n j i n j a n u a r y ，2 0 1 0 独创性声明 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和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天连理工大堂 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了谢意。 学位论文作者签名：冯融辜良签字日期：加f9 年f 月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨墨盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权叁盗墨墨太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：冯轩孝良 签字日期：叫。年f 月q 日 导师签名：本净辛 签字日期：2 0f 砰月2 7 日 摘要 离心泵是一种应用广泛的水力机械，随着科学技术的发展，因工业生产的需要，人 们对它提出了更高的技术要求，如无过载、无驼峰、汽蚀性能好等。如按照传统的水力 设计方法进行研究开发，已经很难准确高效地设计出满足要求的产品。随着近年来计算 流体动力学的不断发展，其对旋转机械内部的三维流动模拟技术已较为成熟，可以将其 应用于离心泵的水力设计中。适当地结合一些水力设计的优化方法，如加大流量法、无 过载设计、短叶片偏置等，能快速高效地设计出满意的产品，显著提高设计效率。 本文的主要研究工作包括： ( 1 ) 运用参数化软件p r o e 建立水泵的三维实体模型：研究c f d 技术中的有限体积 法、网格类型、边界条件等技术； ( 2 ) 应用计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 软件f l u e n t ，模拟 离心泵的三维流动，对比模拟数据与实验数据，验证模拟结果的正确性； ( 3 ) 分析传统离心泵水力设计方法及水力设计优化方法，针对某企业的一低比转 速离心泵，应用加大流量法及长短叶片结构改进叶轮，并对改进方案做正交模拟试验， 分析试验结果，选择了最终优化方案，设计了改进叶轮的结构； ( 4 ) 最后对优化的叶轮在八个工况点进行流动模拟，得到其流量一扬程、流量一效 率性能曲线。绘制了优化叶轮的水力模型图用于加工制造，以验证改进设计的合理性。 关键词：离心泵，c f d ，叶轮，f l u e n t ，长短叶片 a b s t r a c t c e n t r i f u g a lp u m pi s ak i n do fh y d r a u l i cm a c h i n e r yu s e dw i d e l y , a l o n gw i t ht h e d e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h eh i g h e rt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sf r o mi n d u s t r ya l e p u tf o r w a r dh i g h e rp e r f o r m a n c et oi t ，s u c h 嬲n o n - o v e r l o a d i n g , n o n h u m p ，g o o d c a v i t a t i o n s p e r f o r m a n c ee t c a st h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d o f c e n t r i f u g a lp u m ph y d r a u l i c ，i ti sd i f f i c u l t t oe f f i c i e n t l yd e s i g nt h ep r o d u c tt h a tm e e t st h er e q u i r e m e n t s i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h e c o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，t h ef l o ws i m u l a t i o nt e c h n o l o g yo f r o t a t i n gm a c h i n e r yi sm a t u r e d i tc a nb ea p p l i e dt ot h ec e n t r i f u g a lp u m ph y d r a u l i cd e s i g n t h e m e t h o dc o m b i n i n gp r o p e r l yw i t hc f dt e c h n o l o g ya n ds o m eh y d r a u l i cd e s i g no p t i m i z a t i o n m e t h o d s 。s u c h 部i n c r e a s i n gf l o wm e t h o d ，n o n o v e r l o a d i n gd e s i g n ，s h o r tb l a d eo f f s e te t c ，c a n q u i c k l ya n de f f i c i e n t l yd e s i g nas a t i s f i e dp r o d u c t ，a n di tc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ed e s i g n e f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r , t h em a i nr e s e a r c hw o r k si n c l u d e ： 1 u s i n gp a r a m e t r i cs o l , r a r ep r o ee s t a b l i s ht h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h ep u m p ， r e s e a r c hc f dt e c h n o l o g i e sa n dm e t h o d ss u c h 鹊t h ef i n i t ev o l u m em e t h o d ，t h eg r i dt y p e ，t h e b o u n d a r yc o n d i t i o n se t c 2 u s i n gc o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c ss i m u l a t i o ns o f t w a r ef l u e n ta c c o m p l i s h e s t h r e e d i m e n s i o n a lf l o ws i m u l a t i o nf o rt h ec e n t r i f u g a lp u m p c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nd a t e a n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t e , t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sv e r i f i e st h es i m u l a t i o nr e s u l t s c o r r e c t n e s s 3 i nt h i s p a p e r , t h ec e n t r i f u g a lp u m p t r a d i t i o n a lh y d r a u l i cd e s i g nm e t h o da n d o p t i m i z a t i o nm e t h o da r ea n a l y z e da n du s e d ，t oi m p r o v et h ei m p e l l e ro f l 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 pm a n u f a c t u r e db ya p p l y i n gt h ee n l a r g e df l o wd e s i g nm e t h o da n dl o n g - s h o r t b l a d es t r u c t u r e o r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o di sa l s oa p p l i e df o ri m p r o v i n gt e s ts c h e m e a c c o r d i n gt oa n a l y s i so f t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tr e s u l t s ，f i n a l l yw em a k eac h o i c ef o rt h e o p t i m i z a t i o ns c h e m e 4 f i n a l l y , t h ea u t h o rd o e ss i m u l a t i o no fi m p e l l e r sp e r f o r m a n c ec u r v e st h a th a sb e e n o p t i m i z e da tt h ee i g h tw o r kp o i n t so no p t i m i z e ds c h e m e ，g e t st h es i m u l a t i o nc a p a c i t y - h e a d ， c a p a c i t y - e f f i c i e n c yd i a g r a m m a n u f a c t u r i n gt e m p l a t eo fi m p e l l e ra n dt e s ti t sp e r f o r m a n c e ，i t c a nv e r i f yt h eo p t i m i z ed e s i g nm o d e l sr a t i o n a l i t y k e yw o r d s ：c e n t r i f u g a lp u m p ，c f d ，i m p e l l e r , f l u e n t ，l o n g s h o r tb l a d e 目录 第一章绪论1 1 1 离心泵概述1 1 1 1 离心泵的特点及工作原理1 1 1 2 离心泵的主要性能参数及性能曲线2 1 2 低比转速离心泵的研究现状及发展趋势3 1 2 1 离心泵的比转速3 1 2 2 低比转速离心泵的研究现状4 1 3 离心泵的优化设计方法5 1 3 1 传统优化设计方法5 1 3 2 试验与模拟相结合的优化设计方法5 1 4 项目提出的背景及主要研究内容6 1 4 1 项目提出的背景6 1 4 2 主要研究内容6 第二章c f d 基础及湍流理论7 2 1c f d 基础及相关软件介绍7 2 1 1c f d 概述7 2 1 2 有限体积法7 2 1 3c f d 软件介绍7 2 2 控制方程组8 2 3 湍流基本理论9 2 3 1 湍流的统计平均方法9 2 3 2 湍流平均运动的控制方程1 0 2 4 数值模拟方法的分类1 l 2 4 1 直接数值模拟( d n s ) 1 1 2 4 2 大涡模拟方法( l e s ) 1 2 2 4 3 雷诺平均法( r a n s ) 1 2 2 5f l u e n t 中常用的湍流模型1 2 2 5 1 标准k - s 模型1 3 2 5 2r n gk 一模型1 3 2 5 3r e a li z a b l ek 一模型1 4 2 5 4 标准k 一模型1 4 2 5 5s s tk 一( ) 模型1 5 第三章利用数值模拟预测水泵性能1 6 3 1 基于f l u e n t 的数值模拟流程及技术1 6 3 1 1 基于f l u e n t 的数值模拟流程1 6 3 1 2f l u e n t 的边界条件1 6 3 2 基于f l u e n t 的离心水泵流场模拟1 7 3 2 1 离心水泵的三维实体建模? 1 7 3 2 2 网格划分1 7 3 2 3 边界条件的设置1 8 3 2 4 计算求解1 8 3 2 5 后处理1 9 3 3 模拟结果与实验的比较分析2 1 3 3 1 主要物理量的计算公式2 1 3 3 2 工况点计算实例2 2 3 3 3 结果的比较2 2 第四章叶轮的改进设计2 4 4 1 改进任务的提出2 4 4 2 叶轮的主要设计参数及其对性能的影响2 5 4 2 1 叶轮的主要设计参数2 5 4 2 2 叶轮参数对性能的影响2 5 4 3 低比转速离心泵常用水力优化设计方法2 5 4 3 1 加大流量设计法2 6 4 3 2 无过载设计法2 8 4 3 3 长短叶片设计法2 9 4 4 叶轮水力优化设计2 9 4 4 1 叶轮结构的优化方案2 9 4 4 2 叶轮主要几何参数的设计3 0 第五章基于正交试验的叶轮改进方案分析3 2 5 1 离心泵的正交模拟试验的设计3 2 5 2 模拟结果的分析3 3 5 3 最终改进方案的确定3 5 5 3 1 两种改进方案的比较3 5 5 3 2 改进方案与原设计的比较3 7 第六章结论与展望4 2 6 1 结论4 2 6 2 展望4 2 附录4 4 参考文献4 6 发表论文和科研情况说明4 9 致谢5 0 第一章绪论 1 1 离心泵概述 第一章绪论 泵是一种将原动机的机械能转换成被输送液体的压力能与动能的机械。原动机通过 泵轴带动叶轮旋转，对液体做功使其能量增加，从而使液体从吸入管道经过泵的过流部 分，输送到要求的高度或要求有压力的地方。在生活、生产的各部门中，泵是必不可少 的机械设备，输送各种液体都离不开它。 在化工和石油部门的生产中，原料、半成品和成品大多是液体，而将原料制 成半成品和成品，需要经过复杂的工艺过程，泵在这些过程中起到了输送液体和 为化学反应提供能量的作用。在农业生产中，泵是主要的排灌机械。在矿业和冶 金工业中，泵也是使用最多的设备。矿井需要用泵排水，在选矿、冶炼和轧制过 程中，需要用泵来供水等。在电力部门，核电站需要核主泵、二级泵、三级泵、 热电厂需要大量的锅炉给水泵、冷凝水泵、循环水泵和灰渣泵等。在国防建设中， 飞机襟翼、尾舵和起落架的调节、军舰和坦克炮塔的转动、潜艇的沉浮等都需要 用泵。在船舶制造工业中，每艘远洋轮上所用泵的数量一般在一百台以上，其类 型也是各式各样的。其它如城市的给排水、蒸汽机车的用水、机床中的润滑和冷 却、纺织工业中输送漂液和染料，造纸工业中输送纸浆，以及食品工业中输送牛 奶和糖类食品等，都需要有大量的泵【lj 。 从泵的性能范围看，大型泵的流量每小时可达几十万立方米以上，而微型泵 的流量每小时则在几十毫升以下；泵的压力可从常压到高达1 9 6 1 m p a 以上；被输 送液体的温度最低可达2 0 0 摄氏度以下，最高可达8 0 0 摄氏度以上。泵输送液体 的种类繁多，比如输送水( 清水、污水等) 、油液、酸碱液、悬浮液、和液态金 属、化工原料等。 总之，无论是工业生产或者是日常生活，到处都需要用泵，到处都有泵在运 行。正是这样，所以把泵列为通用机械，它是机械工业中的一类主要产品。 泵的分类 泵的种类很多，其用途各不相同，根据作用原理可将泵分为以下三大类：容积泵、喷 射泵、叶片泵【z j 。 1 1 1 离心泵的工作原理 第一章绪论 如图1 1 所示，叶轮安装在泵壳内，并紧固在泵轴上，泵轴由电机直接带动，泵壳 中央与吸入管道连接。液体经底阀和吸入管 路进入泵壳内，泵壳上部与排出管连接。在 泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体：启动 后叶轮由泵轴带动作高速转动，当叶轮快速 转动时，叶片间的液体也必须随着转动。旋 转着的液体在离心力的作用下，从叶轮中心 被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外 缘进入泵壳。在泵壳中，液体由于流道的逐 渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能， 最后以较高的压力流入排出管道，送至需要 场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮 中心形成了一定的真空，液池内的液体在压 力的作用下流向叶轮中心，液体便被连续压 入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液 体便会不断地被吸入和排出【3 】。 1 1 2 离心泵的主要性能参数及性能曲线 图1 - 1 离心泵工作原理示意图 1 离心泵的主要性能参数 流量q ：指单位时间内泵所输送的液体体积，泵的流量取决于泵的结构尺寸( 主要 为叶轮的直径与叶片的宽度) 和转速等。泵实际所能输送的液体量还与管路阻力及所需 压力有关，单位：m 3 h 或m 或l s ； 扬程胁离心泵的扬程又称为泵的压头，是指单体重量液体经过泵后所获得的总能 量。泵的扬程大小取决于泵的结构( 如叶轮直径的大小，叶片的弯曲情况、转速等) ，单 位：肌； 转速n ：指泵轴的旋转速度，它一般决定于原动机转速，单位：r m i m 效率玎：泵在输送液体过程中，轴功率与液体从叶轮处获得的实际功率之比，效率 即反映泵对外部能量的利用程度。泵的效率值与泵的类型、大小、结构、制造精度和输 送液体的性质有关。大型泵效率值高些，小型泵效率值低些。 轴功率泵轴所接受的功率，单位：形或七矾 汽蚀余量n p s h ，：泵在工作时液体在叶轮的进口处因存在一定的真空压力，将会使 液体出现汽化，汽化的气泡在液体质点的撞击运动下，对叶轮等金属表面产生剥蚀，从 而破坏叶轮等金属，此时的真空压力叫汽化压力，汽蚀余量是指在泵吸入口处单位重量 液体所具有的超过汽化压力的富余能量，单位：m 。 水泵的性能参数，除了上述主要参数外，还有比转速n s 等1 4 j 。 2 离心泵的性能曲线 2 第一章绪论 泵的各个性能参数之间存在着一定的相互依赖变化关系，可以通过对泵进行试 验，n - 7 澳j 量、计算得出参数值并画成曲线来表示，这些曲线称为泵的特性曲线【3 1 ， 如图1 2 所示。实质上，离心泵性能曲线是液体在泵内运动规律的外部表现形式。特性 曲线包括：流量一扬程曲线( 唧) ，流量一效率曲线( 9 一叩) ，流量一功率曲线( q ) ，流量汽蚀余量曲线( q 一p i s ! 玩) 。性能曲线的作用是 在泵的任意流量点，都可以在 性能曲线上找出一组与其相对 应的扬程、功率、效率和汽蚀 余量值。离心泵最高效率点的 工况称为最佳工况点，最佳工 况点一般为设计工况点。一般 离心泵的额定参数即设计工况 点和最佳工况点相重合或很接 近。 每一台泵都有特定的特性 曲线，由泵制造厂提供。通常 图1 - 2 离心泵性能曲线图 在工厂给出的特性曲线上还标明推荐使用的性能区段，称为该泵的工作范围。泵的实际 工作点由泵的曲线与泵的管道装置特性曲线的交点来确定。选择和使用泵，应使泵的工 作点落在工作范围内，以保证运转经济性和安全。此外，同一台泵输送粘度不同的液体 时，其特性曲线也会改变。通常，泵制造厂所给的特性曲线大多是指输送清洁冷 水时的特性曲线。 1 2 低比转速离心泵的研究现状及发展趋势 1 - 2 1 离心泵的比转速 离心泵的设计原则目前大多是基于流动相似理论，用模型换算的方法来设计泵。但 是，在选择模型泵时，由于泵有很大的流量、压力范围，在结构型式和尺寸上都各不相 同，显然，随便挑选一个模型是不能达到要求的。为了解决这个问题，必须找到一个相 似准则，这个相似准则它既能表示泵的几何形状，又能用已知设计参数q 、h 、n 等计 算出来。然后根据计算所得的准则数去挑选模型，这个相似准则数称为比转速，用珞 表剥。它与流量、扬程和转速之间的关系为： 他= 3 6 5 鬻( 1 - 1 ) 式中：q 泵的流量，m 3 s ； h 泵的扬程，m ； 力泵的转速，r m i n 。 3 第一章绪论 水泵的比转速通常可理解为：当总水头为1 米，流量为0 0 7 5 m 3 s 时，与已知的 水泵成几何相似的另一水泵的转速。 比转速n s 是从相似理论中引出来的一个综合性参数，它说明了相似泵q 、风力之 间的关系。相似的泵在相似的工况点，比转速相等。但是从性能曲线看出，同一台水泵， 其扬程和流量是能够改变的，当扬程和流量改变后，其比转速当然也就改变了。即是说 水泵每一工况点均有其自己的比转速；我们通常只用最佳工况点的比转速来进行比较。 一般离心泵的n s 8 0 为低比转速，8 0 n ， 1 5 0 为中比转速，1 5 0 n 。 3 0 0 为高比转速。 比转速成了表征叶轮形状的一种尺度，水泵性能和各种损失也常受到的影响。 为此，在水泵设计中，是作为重要基础的一个参数。无论是相似设计法，还是速度系 数法，都是以比转速为依据，来选择水力模型或速度系数的。 1 2 2 低比转速离心泵的研究现状 目前国内针对离心泵的试验研究已经很多，经过引进技术、消化吸收，国内水泵生 产商大多拥有水泵试验平台，也做了大量的技术改进工作，取得了显著的成效。国内高 校及科研院所对离心泵的数值模拟研究也已经开展较多，国内如江苏大学、兰州理工大 学、浙江大学等已对离心泵的内部流场分析做了大量的研究，在结合优化设计方法的基 础上，提出了许多离心泵的设计方法改进及参数优化方案。 袁寿其【5 - 9 】等运用数值模拟软件，对离心泵的内部流动情况做了细致的分析。在水 力设计中采用长短叶片偏置法、加大流量法、无过载设计等方法设计叶轮结构，并对设 计方案进行了实验验证。 施卫东、张德胜【1 0 】等采取加大流量设计法，通过增加分流叶片和增大喉部面积等方 法来提高泵的性能，运用f l u e n t 软件对样泵进行了数值模拟。通过对比试验讨论了分流 叶片和喉部面积对消防泵性能的影响，试验结果表明：分流叶片可以有效地控制轴向旋 涡，提高泵的扬程和效率；增大喉部面积有利于获得平坦的性能曲线，同时可以扩大高 效区范围和提高最高点效率。 李艳驯1 1 1 等应用f l u e n t 软件对离心泵内的流动进行了三维数值模拟，通过计算分 析和正交实验优化，找到影响水泵扬程的主要参数。提出在不改变水泵流量的前提下， 通过改变叶轮的设计参数，增大了水泵的扬程。 陈炜【1 2 】针对低比转数卫生型离心泵应用c f d 软件进行了数值模拟，对研究对象在 多种工况下的内部流动状态进行模拟，基于流动分析状况对多种结构参数下的水力性能 进行预测，基于神经网络方法进行水力尺寸的优化设计，通过试验研究的手段验证数值 模拟和优化的结果。 刘琦【1 3 】运用f l u e n t 软件对额定工况下的离心泵内部流动做数值模拟，分析了流体 在离心泵中的速度和压力分布，并详细分析了叶轮和蜗壳内的流场分布情况，揭示了离 心泵内部很多重要的流动现象，分析了涡流，尾流，回流，二次流等流动现象。 牟介刚【1 4 】对传统离心泵水力设计方法进行了分析，结合c f d 技术提出了离心泵现 代设计方法。分析介绍了相似换算法和速度系数法的提高和改进设计方案，提出了无过 载设计的新思想以及进行无过载设计的新方法和措施。 4 第一章绪论 1 3 离心泵的优化设计方法 低比转数离心泵一般是指比转数n ， = 者0 匐- i - g k - - k + 是( 2 - 3 1 ) 扩散率方程： 麦( p + 毫( p 让。) = 考一韵+ 吒一圪+ 虬+ 毛 ( 2 3 2 ) 靠2 弘+ 尝 巴2 弘+ 笔 ( 2 - 3 3 ) ( 2 3 4 ) 如= 譬= 矗。固( 2 - 3 5 ) 如2 詈忑网 d a 代表正交发散项，f 2 是混合函数，其余各项意义与标准k - a ) 方程相同。 以上是对f l u e n t 中常用湍流模型的介绍，在水泵的模拟中，常用的湍流模型是标 准k - s 模型，因为水泵内的流动状态大多为完全湍流流动，粘性力的影响较小，用标准 k - 8 模型模拟能取得很好的效果。在泵体、管道内壁面等近壁区域，采用壁面函数法， 一般选用标准壁面函数。 第三章利用数值模拟预测水泵性能 第三章利用数值模拟预测水泵性能 3 1 基于f i u e n t 的数值模拟流程及技术 3 1 1 基于f l u e n t 的数值模拟流程 大多数c f d 软件都包含有3 个主要功能部分：前处理、求解器、后处理。其中前 处理是指完成计算对象的建模，网格生成的程序3 0 】；求解器是指求解控制方程组的程序； 后处理是指对计算结果进行显示、输出的程序。针对不同的计算对象，f l u e n t 有不同的 软件包工具，f l u e n t 软件包主要由g a m b i t 、t g r i d 、f l i t e r s 、f l u e n t 几部分组成，如下图 3 1 所示【3 1 1 。 3 1 2f l u e n t 的边界条件 图3 1f l u e n t 软件包结构示意图 f l u e n t 所求解的连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程及其他标量方程都 是一致的，但是实际的流动问题是复杂而且多变的，其中一个重要原因就是每种流动的 初始条件尤其是边界条件不同【弛3 4 j 。 所谓边界条件，是指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时间变 化的规律。边界条件与初始条件一起并称为定解条件，只有边界条件和初始条件确定以 后，流场的解才存在。所有c f d 问题都需要有边界条件，对于瞬念问题还需要有初始 条件。流场的解法不同，对于边界条件和初始条件的处理方式也不一样，只有给定了合 理边界条件的问题，才可能计算得出流场的合理解。因此，边界条件是使c f d 问题有 1 6 第三章利用数值模拟预测水泵性能 定解的必要条件。 对于初始条件，f l u e n t 是在初始化过程中完成的。初始条件的给定比较随意，通 常有多种给法，计算经验表明，只要给出的初始值符合一定的要求，那么它对以后计算 结果的统计平均量影响并不显著，然而质量很差的初始流场也可能导致整个计算不稳 定。一般情况下可将初始流场取为自由来流条件或者压力远场、入口等所确定的均匀场。 对于非定常流动的计算，一般取具有相应流动条件的定常计算结果作为非定常流动的初 始条件。 f l u e n t 中常用的边界条件有：速度入口( v e l o c i t yi n l e t ) 、压力入口( p r e s s u r ei n l e t ) 、 质量入口( m e s sf l o wi n l e t ) 、压力出口( p r e s s u r eo u t l e t ) 、自由出流( o u t f l o w ) 、壁面边 界( w a l l ) 、对称边界( s y m m e t r y ) 、周期性边界( p e r i o d i c ) 。 3 2 基于f i u e n t 的离心水泵流场模拟 本节应用f l u e n t 对企业目前成熟的e m c 5 0 型离心水泵内部流场进行了模拟及分 析，预测了其流量一扬程、流量一效率，并与企业实测的数据进行了比较【3 5 1 。 3 2 1 离心水泵的三维实体建模 采用三维参数化软件p r o e 进行离心水泵的三维建模口6 1 ，建立的三维模型包括叶轮、 泵体的流道部分，如图3 2 、3 3 所示。在建模过程中，对部分零件进行简化，以便较好 的划分网格，其中螺栓、底座等零件由于对流场分布没有影响，均不给予考虑。 3 2 2 网格划分 图3 - 2 叶轮三维图图3 - 3 泵体三维图( 流道部分) 将水泵模型导入g a m b i t 中，由于模型曲面复杂，因此选用非结构四面体网格划分 模型。对模型进行分区，将模型分为叶轮区域和流道区域两个部分，将两个区域之间的 耦合面设置为i n t e r f a c e 。叶轮区域的网格要比流道区域网格细密，整体网格总数大约为 1 0 0 万，网格失真率在o 3 5 以下的为9 0 ，总体质量较好3 7 1 。 1 7 第三章利用数值模拟预测水泵性能 3 2 3 边界条件的设置 1 边界条件 进口边界：根据离心泵进口流道的特点，由质量守恒及进口无旋假设得出进口平面 轴向流速。对于已知流量求扬程的问题，采用速度进口( v e l o c i t yi n l e t ) 比较合适。假设进 口管道某一轴向截面内所有点的平均速度相等，得进口平均速度计算公式为： p = 之 霄，| ( 3 - 1 ) 式中：1 广进口速度，m s ；广_ 进口半径，i l l m ；9 一流量，m 3 s 。 出口边界：一般可用压力出口( p r e s s u r eo u t l e t ) ，对于出e l 没有回流或回流很少的情 况，可以采用自由出流边界( o u t f l o w ) 。 壁面边界：无论是标准k - 模型、r n gk 一模型、还是r e a l i z a b l ek 模型，都是针 对充分发展的湍流才有效的，也就是说这些模型均是高雷诺数的湍流模型，它们只能用 于求解处于湍流核心区的流动。在接近固体壁面时，由于湍流表现出明显的各项异性， 因而以各项同性为特征的湍流模型在近壁区域不成立。对此f l u e n t 中有两种修正方法： 壁面函数法、低雷诺数模型，此处采用标准壁面函数法。 壁面函数是对对近壁区域的半经验描述，是对某些湍流模型的补充( 近壁区域对整 体流动影响较大和低雷诺数的情况) ，通过壁面函数法和低雷诺数k - 模型与标准k - 模 型和r n gk 模型配合，成功解决整个整个管道的流动计算问题。低雷诺数模型直接在 层流区域进行流场求解，适合于流场中主流是层流的情况。 对于离心泵等流体机械而言，叶轮是围绕中心轴线转动的，因此，设置叶轮为移动 壁面，叶轮内的流体随叶轮转动。对于泵体内腔表面，由于在整个流动过程中处于静止 状态，因此设置为静止壁面。 环境工作压力为标准大气压( 1 0 1 3 2 5 p a ) ，考虑重力的作用，重力加速度为9 8 m s 2 。 2 材料属性 不考虑空化及气蚀现象，流体为水，密度1 0 0 0 k g m 3 ，流体为粘性不可压缩，不考 虑热传导，粘性系数为0 0 0 10 3 k g m s 。 3 湍流模型 假定水泵内部流动为三维粘性定常流动，湍流模型采用标准k 吨方程模型，s i m p l e 算法求解控制方程。 4 采用多重旋转坐标系( m u l t i p l er e f e r e n c ef r a m e ) ，泵体静止，从进口方向看，叶 轮逆时针旋转，转速14 5 0 r m i n 。 3 2 4 计算求解 为了更好地控制求解过程，需要在求解器中进行某些设置。设置的内容包括：选择 离散格式、设置欠松驰因子、初始化流场变量及激活监视变量等。 控制方程的扩散项一般采用中心差分格式离散，而对流项则可采用多种不同的格式 进行离散。本文为t a n 快计算速度，先在一阶迎风格式下计算3 0 0 步，然后再转到二阶 第三章利用数值模拟预测水泵性能 迎风格式下计算直到收敛。 欠松驰因子是分离式求解器所使用的一个加速收敛的参数，用于控制每个迭代步内 所计算的流场变量的更新。为了尽可能加快收敛速度，在刚一启动时，先用默认值，在 迭代3 0 0 步以后，检查残差的变化情况。如发现残差减小，则增大欠松驰因子的值，加 快收敛过程。 在开始求解之前，必须向f l u e n t 提供对流场的初始猜测值。该初始值对解的收 敛性有重要的影响，与最终的实际解越接近越好。本文采用默认的初始化值。 f l u e n t 的求解过程在某些极端条件下会出现解的不稳定，因此有必要对求解的过 程进行监视。通过检查变量的残差、统计值、力、面积分和体积分等，用户可以动态地 监视计算的收敛性，残差曲线图如3 - 4 所示。本文对出口的压力进行了监视，结果发现 水泵的出口压力经过迭代前期的振荡之后，后期逐渐趋于稳定。 3 2 5 后处理 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 8 0 0 i t e r a i i o n s 图3 - 4 计算残筹曲线图 采用t e c p l o t 软件作后处理，将流量q = 2 5 m 3 1 1 时的计算结果导入【3 8 1 ，图中所有截面 位置均取自叶轮轴对称平面。 图3 - 5 整体全压图 1 9 图3 - 6 叶轮全压图 第三章利用数值模拟预测水泵性能 图3 5 为整体全压图，从图中可以看出，在水泵的进口处，全压最低。图3 - 6 为叶 轮全压图，在叶片的出口处，全压最高。图3 7 为流道内部全压图，在叶片的压力面尾 端全压最高。图3 8 为流道内部动压图，在叶片的压力面中部开始，动压一直保持在较 高水平，表明此处流体的动能增加很大。3 - 9 为流道内部速度矢量图，叶片进口处的速 度矢量最低，叶片压力面处的速度矢量较大，在出口管道中有局部区域的速度矢量值很 小，表明此处动能较低，存在涡流。3 1 0 为流道内部湍流强度图，在叶片压力面末端湍 流强度很大，表明此处流动状态为高强度湍流。 图3 7 流道内部全压图 1 5 1 e e o t 1 4 3 e + 0 1 1 3 6 e + 0 1 1 2 8 e + 0 1 1 2 1 e + 0 1 1 3 e + 0 1 10 6 e + o l 口8 0 e + 0 0 8 如e + 0 0 7 弱e + 0 0 6 e + 0 0 6 0 5 e + c o 5 2 9 e + 0 0 4 5 4 e + 0 0 3 7 9 e + 0 0 3 0 4 e + 0 0 2 e + 0 0 1 5 4 e + 0 0 7 8 8 e - 0 1 3 b 7 越 图3 9 流道内部速度久量图 2 0 图3 - 8 流道内部动压图 1 9 4 e + 0 2 t8 5 e + 0 2 t 7 6 e + 0 2 6 7 e + 0 2 5 8 e + 0 2 4 9 e + 0 2 4 0 e + 0 2 t3 e + 0 2 1 2 3 e + 0 2 1 1 4 e + 0 2 ，饿鼢0 2 95 7 e + 0 8 酗e + 0 1 7 7 9 e + 0 1 b e * 0 1 8 e + 0 1 5 1 0 e + 0 1 42 1 e + 0 1 33 2 e + 0 1 2 4 2 e + 0 1 1 5 3 e + o f 图3 一l o 流道内部湍流强度图 麓黧lil黧船 蕊lllll；|l麓 曩勰磁移 第三章利用数值模拟预测水泵性能 3 3 模拟结果与实验的比较分析 3 3 1 主要物理量的计算公式 1 压力 流体流动时，总压力包括静压及动压。在f l u e n t 中，对于不可压缩流动，其总 压与静压及动压的关系满足下式： “l = p 啦咖量p m 2 ( 3 - 2 ) 三p i 舻1 2 动压，p a ；p 密度，k g m 3 ； ，速度，m s 。 在f l u e n t 中可以先分别求出动压、静压，然后按照公式( 3 2 ) 计算总压，也可直 接利用f l u e n t 的面积积分平均功能求出总压，本文采用后一种办法。 2 扬程 胃= 警+ 警+ ( z 2 - - z 1 ) ( 3 - 3 ) 研嘲的扬程，m ； 印、p ，泵出口、进口处液体的总压力，p a ； p 水的密度k g m 3 ；g 重力加速度，m s 2 ； 耽、 ，泵出口、进口处液体的绝对速度，m s ； 勿、z ，泵出口、进口到任选的测量基准面的距离，m 。 本文在计算扬程时，只考虑泵进、出口总压p ，、p 2 的影响，该型泵的体积较小，计 算过程中可忽略泵的高度因素z 卜刀。同时，假设在进、出口处做垂直于管道轴线的截 面，截面内任意点的速度矢量相等，而泵的进、出口直径也相等，因此进、出口速度y 卜 耽相等，式( 3 3 ) 中右边第二项为0 。 3 轴功率 在f l u e n t 中可计算出叶轮轴的输入力矩m ：则数值模拟计算中的叶轮输入功率r 为： 以= m d o ( w ) ( 3 4 ) m l 叶轮轴输入力矩，n m ； c o 叶轮角速度，r a d s ； 4 有效功率 泵的有效功率是单位时间内从泵中输送出去的液体在泵中获得的有效能量。因为扬 程是泵输出的单位重量液体从泵中获得的有效能量，所以扬程和质量流量及重力加速度 的乘积，就是单位时间内从泵中输出液体所获得的有效能量泵的有效功率只。 名= p a q t - ( w ) ( 3 - 5 ) 2 1 第三章利用数值模拟预测水泵性能 q 泵的流量，m 3 s ，陌嘲的扬程，m 。 5 水力效率 泵的水力效率为有效功率和轴功率之比。 r l ；当= 筹 ( 3 6 ) m o 、o 数值计算时没有考虑容积损失和圆盘摩擦损失等机械损失，必要时需对f l u e n t 计算 出来的结果进行修正。 3 3 2 工况点计算实例 以5 m 3 h 这一工况点为例，各主要物理量的计算过程如下： 1 角速度 =兰=_$14x1450=151767(rads11 i) = 一= 一= j 3 0 。 2 压力 在f l u e n t 中直接求出水泵进、出1 ：3 总压力p l = - 9 6 3 0 2 p a 、p 2 = 3 9 4 6 0 p a 。 3 扬程 4 轴功率 5 有效功率 h = 警= 竺篙产1 3 5 7 6 2 1 0 0 0 ( m ) 囊口 1 0 一” & = m t o = 4 3 6 1 9 x 1 5 1 7 6 7 = 6 6 1 9 9 2 ( w ) 只= p g q b l = 1 0 0 0 1 0 去1 3 5 7 6 2 = 1 8 8 5 5 9 ( w ) 6 水力效率 r = 墨= p