（机械电子工程专业论文）背叶片对离心泵内部流场影响研究.pdf

背叶片对离心泵内部流场影响研究 摘要 离心泵是一种实用性很强的通用机械，适合于输送固液混合物，厂一泛应用 于矿山、冶金、煤炭、电力、轻工、石化等工业和港口河道疏浚等行业。离心 泵背叶片是离心泵叶轮上一个简单的结构，它的主要作用是平衡轴向力和起到 轴封作用。现如今国内外对背叶片的研究还没深入，只停留在初步探索阶段。 本课题旨在对背叶片的研究，为国内外后续的研究提供一定理论数据参考。 本文是对一个离心泵建立了三维实体模型，然后对其网格划分，采用 f l u e n t 软件分别模拟了前弯、后弯和直的3 种背叶片形式，3 1 0 共8 种背叶 片数目的固液二相介质工况下的内部流场。 通过c f d 数值模拟，分析了不同背叶片形式和数目对叶轮和蜗壳的压力 场、速度场的影响；分析了背叶片对离心泵扬程和效率的影响、背叶片的密封 作用和背叶片在平衡轴向力方面的贡献。总结了离心泵内部流场的流动规律， 得出了不同背叶片数目和形式对泵效率的影响，密封效果以及平衡轴向力的能 力。为改善离心泵的性能和优化设计提供了一定的理论数值参考依据。 关键词：离心泵；背叶片；c f d ；数值模拟；固液二相流 r e s e a r c ho nt h ee f f e c to fb l a c kb 1 a d eo ni n t e r n a lf l o wf i e l do f c e n t r i f u g a lp u m p a b s t r a c t c e n t l 7 i f u g a lp u m pi sak i n do fv e r yp r a c t i c a lg e n e r a lm a c h i n e r yt h a ts u i t a b l e f o rc o n v e y i n gl i q u i dm i x t u r e i tw i d e l yu s e di nm i n i n g ，m e t a l l u r g y ，c o a l ，e l e c t r i c p o w e r ，l i g h ti n d u s t r y ，p e t r o c h e m i c a la n do t h e ri n d u s t r i a la n dp o r tr i v e rd r e d g i n g i n d u s t r y t h eb l a c kb l a d eo ft h ec e n t r i f u g a lp u m pc a nb a l a n c et h ea x i a lf o r c ea n d e n h a n c et h es e a le f f 色c ta sas i m p les t r u c t u r eo nt h ei m p e l l e roft h ec e n t r i f u g a l p u m p n o w a d a y s ，t h er e s e a r c ho ft h eb l a c kb l a d ea tt h eh o m ea n da b r o a di so n l vi n t h ei n i t i a ls t a g eo fe x p l o r a t i o n t h i sp a p e ra i m st op r o v i d ec e r t a i nt h e o r yr e f e r e n c e d a t ao nt h er e s e a r c ho fb l a c kb l a d eo fc e n t r i f u g a lp u m p i n t h i sp a p e r ，t h ee n t i t ym o d e lo fp u m pi sc r e a t e da n dm e s h e d ；t h r e eb l a c k b a d ef o r ma sf o r w a r d - c u r v e d ，b a c k w a r d c u r v e da n dm a i nt i d ea n de i g h tn u m b e r s f r o mt h r e et ot e no fb l a c kb l a d ei nc e n t r i f u g a lp u m ph a sb e e ns i m u l a t e di nt h i s p a p e rb yu s i n gf l u e n ti o f t w a r e b yt h ec f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n a l y z e dt h ei n n u e n c et ot h ed i s t r i b u ，t i o no f p r e s s u r ef i e l da n dt h ev e l o c i t yf i e l du n d e rd i f f e r e n tk i n d sa n dn u m b e r so fb l a c k b l a d ei ni m p e l l e ra n dv 0 1 u t eo fp u m p ；a 1 s o ，a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fb l a c kb l a d e t ot h ep u m pe f n c i e n c y ，t h eb l a c kb l a d es e a la n dt h ec o n t r i b u t i o ni nb a l a n c i n ga x i a l f b r c eo fb l a c kb l a d e c o n c l u d e dd i f - f e r e n tk i n d sa n dn u m b e r so fb l a c kb l a d ei n c e n t r i f h g a lp u m pt op u m p e m c i e n c y ，c e n t r i f h g a ls e a li m p a c ta n dt h ea b i l i t yi n b a l a n c i n ga x i a lf o r c e i tc a no f 琵rs o m er e f e r e n c ei n f o r m a t i o nt ot h ei m p r o v e m e n to f s l u r r yp u m p n a t u r ea n do p t i m u md e s i g n k e yw o r d s ：c e n t r i f u g a lp u m p ； b l a c kb l a d e ； c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； s 0 1 i d l i q u i dt w op h a s ef l o w 致谢 本论文是在导师王晓枫老师的悉心指导和亲切关怀下完成的。王老师以他 深厚的理论基础、全面的专业知识、敏锐的思维方式和丰富的实践经验给与我 深刻的启迪，为我的论文工作指明了方向。同时，导师对我个人的生活也给与 了很大的关怀，使我备受感激。在此，谨向尊敬的导师表示我真挚的谢意! 感谢己毕业的黄艳艳师姐、陶龙凤师姐、铁巍巍师兄、周雍师兄他们是我 研究生阶段的引路人。感谢这几年和我共同学习和生活的金薇、李晓峰、康留 涛、吴晓伟、徐瑶、史付洋、曾环、任康、李守俊、王雪瑞，李路、秦艳芳等 同学，在实验室这个大家庭中，大家团结友爱、亲如一家，陪伴我度过了值得 回忆的研究生阶段。衷心的感谢大家! 感谢我的亲人和朋友们对我学业和生活的支持与鼓励，没有他们在我背后 默默的奉献，我将不可能顺利走过令我终生难忘的研究生生涯! 时光如水，将近三年的研究生生涯即将结束。它短暂而充实，有太多的事 记忆犹新。这段生涯对我的人生成长、做人求真、未来规划有着很大的影响， 我将用一生去感受这些! 作者：刘文辉 2 012 年4 月 插图清单 图1 1 离心泵结构简图2 图3 1 时片结构一1 3 图3 2 背叶片平衡轴向力示意图1 4 图4 i 建模流程图1 7 图4 2 叶轮c a d 图1 8 图4 3 叶轮三维模型：1 9 图4 4 蜗壳基本流道。2 0 图4 5 蜗壳三维图2 0 图4 6 泵的三维实体模型21 图4 7 0 背叶片叶轮模型2 l 图4 8 直8 形式叶轮模型2 l 图4 9 前弯8 形式叶轮模型。2 2 图4 1 0 后弯8 形式叶轮模型2 2 图4 1 l 定义好p a r t 的离心泵模型2 5 图4 1 2 全定义好的离心泵模型2 5 图4 1 3 整体网格图2 5 图4 1 4 蜗壳网格图2 5 图4 1 5 叶片与叶轮网格图2 5 图4 一l6 背叶片盖板与背叶片网格图2 6 图5 1 叶轮中截面固相浓度分布图+ 3 0 图5 。2 叶轮中截面压力分布圈3 0 图5 3 背叶片固榴浓度分布图3 0 图5 4 背叶片相对速度分布3 0 图5 5 叶轮中截面相对速度矢量3 1 图5 6 蜗壳中截面相对速度矢量3 1 图5 7 后弯4 背叶片相对速度矢量3 1 图5 8 前弯4 背叶片相对速度矢量3 l 图5 9 直4 背叶片相对速度矢量3 l 图5 1 0 前弯6 背叶片相对速度矢量3 1 图5 1 1 厝弯6 背叶片相对速度矢量3 2 图5 一1 2 直6 背叶片相对速度矢量3 2 图5 1 3 后弯8 背叶片相对速度矢量3 2 图5 1 4 前弯8 背叶片相对速度矢量3 2 图5 1 5 直8 背叶片相对速度矢量，3 2 图5 1 6 后弯1 0 背叶片相对速度矢量3 2 图5 1 7 前弯1 0 背叶片相对速度矢量3 3 图5 18 直1 0 背叶片相对速度矢量3 3 图5 1 9 后弯4 压力分布图3 3 图5 2 0 后弯6 压力分布图3 3 图5 21 后8 压力分布图3 4 图5 2 2 后弯1 0 压力分布图3 4 图5 2 3 前弯4 压力分布图3 4 图5 2 4 前弯6 压力分布图3 4 图5 2 5 前弯8 压力分布图3 4 图5 2 6 前弯10 压力分布图3 4 图5 2 7 直4 压力分布图3 5 图5 2 8 直6 压力分布图3 5 图5 2 9 直8 压力分布图3 5 图5 3 0 直1 0 压力分布图3 5 图5 31 前弯背叶片扬程曲线图 3 6 图5 3 2 后弯背叶片扬程曲线图3 7 图5 3 3 直背叶片扬程曲线图3 7 图5 3 4 前弯背叶片效率曲线图3 8 图5 3 5 后弯背叶片效率曲线图- 3 9 图5 3 6 直背叶片效率曲线图3 9 图5 3 7 前弯背叶片轴封处压力曲线图4 0 图5 3 8 后弯背叶片轴封处压力曲线图4 1 图5 3 9 直背叶片轴封处压力曲线图4 1 图5 4 0 前弯背叶片轴向力图4 3 图5 41 后弯背叶片轴向力图4 3 图5 4 2 直背叶片轴向力图4 4 表格清单 表1 。1 各科泵性能和指标1 表1 2 固液泵应用发展趋势1 表5 1 不同背叶片形式和数目下泵的扬程一始 表5 2 不同背叶片形式和数蜀下泵的效率一3 塔 表5 3 不同背叶片数目和形式下泵轴封处压力4 u 表5 4 不同背叶片数目和形式下泵轴向力4 j 第一章绪论 1 1 固液混合物泵简介 般将适用于输送液体( 通常为水) 中含有悬浮固体物的泵称为固液混合 物泵，简称豳液泵，国内过去称为杂质泵。 圆液泵的分类般是按照泵的各个方面来分类，其体包括：工作原理、输 送介质性质，结构形式、过流材质等方面。按照工作原理，固液泵可分为离心 泵、混流泵、轴流泵、往复泵、螺杆泵、喷射泵等。各种泵性能和指标如表1 1 所示。 表1 1 各种泵性能霹n 指标 流量 琢力 效率寿命( h )备 型式粒径 ( m 3 m i n ) ( m p a )( ) 泵件数值注 管径的 离心泵 o 0 3 3 0 0o 。5 24 0 8 0 叶轮 s o o 5 0 0 0 3 0 一9 0 柱塞泵 3 162 m m 8 5 9 0 阀门 50 9 3 0 0 0 活塞泵o 5 1 0 0 3 02 m m8 5 9 0阀门lo o o 3 0 0 0 管内径的 浆体管道泵0 5 l o o p ，时， 泄漏液体被顶回去而形成“负压密封”，当p ， p i + ，i2 ，枷，蔷 “蠢趔一蔷 旺之 不可压缩粘性流体微分形式的欧拉型能量方程( 2 14 ) 两边同乘以v ，得 、| p 碱n v j 等 式( 2 - 2 0 ) 减去( 2 21 ) 得 孝= ( 蚰乃) 鲁妒罄 p 瓦。卜p 岛+ 乃馨+ q 一詈 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 一鸩筹托筹+ q 一鲁 c2 锄， 式中左侧项为流体内厶瀚帅的变崦碱毒为压瓤是由于系 统体积变化而导致的压力做功；乃鲁为粘性应力对剪切变形做功，称为耗散功， 美；是冀 的双点积v 扎v v 是v 知v 两个向量的并矢。于是能量方程可写为 d e p 面2 一v v + f ：v v + q v 9 ( 2 2 4 ) 电豇 9 + 奶瓦 ： 1 3 2 引 乞 比沈 眈 p 得中 式 入，f 6二式将 第三章背叶片的形式及作用 3 1 背叶片的形式 背叶片是指在叶轮后盖板上加铸几个径向叶片，用来抵消一部分或者全部 的轴向力。其结构如图3 1 所示。 7 一 泌科片 淤i 荔= ； 0 。 ，一， 、一毒 图3 - 1n 。| 片结构 背叶片的形状是一组叶片，其工作面和背面都是垂直于旋转面的平面，叶 片进口安装角在5 度左右。有一种用于离心泵的背叶片结构，它是在叶轮背叶 片的内径处增加了一组径向密封环，密封环的一侧与旋转的叶轮联体，另一侧 与不旋转的泵体相联，密封环之问的径向问隙小于l 毫米。这组密封环有三种 安装方式，一种是叶轮密封环在内，泵体密封环在外；另一种泵体密封环在内， 叶轮密封环在外，并且在背叶片的上方；还有一种是泵体密封环在内，叶轮密 封环用背叶片的进口边代替。 一种改进的离心泵叶轮的轴向力平衡机构，由离心泵叶轮和泵盖构成，离 心泵叶轮的背侧固定设置有复数个径向背叶片，径向背叶片沿圆周方向均匀f 刚 隔排列，径向背叶片与离心泵叶轮轴套的外圆周之间均设置有间隙，径向背叶 片的后端固定连接有一个环状盘，泵盖内端面中设置有一个凸台，凸台延伸到 径向背叶片与离心泵叶轮轴套的问隙内。背叶片随叶轮旋转做圆周运动，背叶 轮产生压差，可平衡轴向力或者减少容积损失，或者减少泥沙磨损。 一种在叶轮上装有背叶片的单吸多级节段式离心泵，在每一级叶轮的后盖 板上均装有背叶片，或每一级叶轮的前盖板和后盖板上均装有背叶片，使各级 叶轮所承受的轴向力都很小，从而泵的总轴向力也不大，贱余轴向力由推力轴 承来承受，省去了现有技术中在多级离心泵上采用的平衡盘、f 衡鼓等专用平 衡机构。 本论文题目是背叶片对离心泵内部流场影响研究，背叶片的形式有自订弯， 后弯和直三种基本形式，数目分别为3 10 的。背叶片的弯曲方向与叶轮的旋 转方向相同，就称之为前弯形式的背叶片，有前弯3 前弯1o 八种形式的背叶 片。背叶片的弯曲方向与叶轮的旋转：方向相反，就称之为后弯形式的背叶片， 有后弯3 后弯10 八种形式的背叶片。背叶片的弯曲方向与叶轮的旋转方向即 不相同也不相反，而是直的，就称之为直形式的背叶片，有直3 直1 0 八种形 飞蕊黝飞捌j l 式的背叶片。 3 2 背叶片的主要作用 背叶片平衡轴向力方面的作用，作为平衡轴向力的一种既简单又实际的结 构设计m - ，背叶片经常被用在离心泵和混流泵的叶轮上。作用在泵轴上的轴向 力主要包括： 1 、叶轮前、后盖板不对称产生的轴向力，此力指向叶轮吸入口方向。 2 、动反力，即液体给叶轮的反作用力，此力指向叶轮后面。 3 、轴台、轴端等结构因素引起的轴向力，其方向视具体情况而定。 4 、转子重量引起的轴向力与转子的布置方式有关。 5 、其他因素形成的轴向力。 对于卧式离心泵和混流泵来说，叶轮前、后盖板不对称产生的轴向力为主 要的轴向力。对于立式离心泵来说转子部件的重量则为主要的轴向力。 ；l 骖。j 。 一一墩 。 图3 2 背叶片平衡轴向力示意图 在未加背叶片时，叶轮右侧压力水头分布如图3 一l 中的曲线彳d f ，左侧 压力水头分布如曲线彳d f ，由于叶轮两侧盖板不对称，产生的轴向力：勾： 小 ，榴附若( 一学 讹，州删 冬( 半) ( 3 _ 1 ) 式中彳。：以r 。为半径的圆面积，4 。= 积。2 ； 么：以尺n 为半径的圆面积，彳b = 艘。2 。 通过增加背叶片之后，背叶片强迫液体旋转，液体的旋转角速度增加。 后侧的压力水头如图3 1 所示，它和原曲线相差的影线部分，表示背叶片平衡 的轴向力。假定背叶片端部和壳体的间隙很小，液体以“旋转”，则该平衡力f 为： 互：未竺昭( 尺2 2 一r 2 ) 2 刀 ( 3 2 )，= 口2 l “，一“， 刀 lj zj 。1 62 二 “7 1 4 而对一般的离心泵和混流泵来说，背叶片的端部和体的间隙都相对较大， 此时背叶片中液体以下式表示速度旋转( 背叶片数4 6 枚) 。 缈7 = 罢( 1 + 三)( 3 3 ) z j 式中t ：背叶片宽度： s ：后盖板和壳体壁的i 、白j 隙 将缈代入上式得： e = 等肌半卜1 m ：卅卜华 ( 3 4 ) 由于背叶片平衡了泵腔内的轴向力，从而减小轴封前液体的压力，有助于 轴封对泵的密封作用，延长了轴封( 尤其是填料奉封) 的寿命，减小了泵的泄 漏。另外背叶片还有防止杂质进入轴封的功能，由此背叶片在抽送杂质的泵上 应用的更多。 本论文题目是背叶片对离心泵内部流场影响； 我分析的内容之一，在后面的分析中，我将用轴i 题，分析不同背叶片形式和数目轴封处的压力，j 叶片的密封作用。 研究，背叶片的密封作用是 处的压力来进行分析这个问 而分析不同形式和数目的背 第四章离心泵研究模型的建 4 1 三维建模简述 建模是一个很重要的环节，模型的好坏决 格划分的好坏又决定了后处理软件计算的成功 步骤。在建模的过程中，我们通常都是采用点 基本建模思想有线框建模、表面( 曲面) 建模 建模的基本思想： 1 线框建模 三维实体仅通过顶点和棱边来描述形体的 信息量少，占用的内存空间小，对操作的响应 速地生成三视图，生成任意视点和方向的视图 的投影关系。 立及模型的网格化 定- 网格划分的成功与否，而网 与杏，因此建模是一个很关键的 、线、面然后再生成三维实体， 、实体建模，下面是这三种三维 几何形状。特点；数据结构简单， 速度快，通过对投影变换可以快 和轴测图，并能保证各视图f 确 2 表面( 曲面) 建模 能通过对物体各个表面或曲面进行描述的一种三维建模方法。特点：表面 模型增加了面，边的拓扑关系，因而可以进行消嘣处理，剖面图的生成，渲染， 求交计算，数控刀具轨迹的生成，有限元网格划分等作业。但表面模型仍缺少 体的信息以及体、面间的拓扑关系，无法区分面的哪能一侧是体内或体外，仍 不能进行物性计算和分析。 3 实体建模 不仅描述了实体全部的几何信息，而且定义讨所有的点、线、面、体的拓 扑信息。特点：可对实体信息进行全面完整的描迷，能够实现消隐，剖切，有 限元分析，数控加工，对实体着色，光照及纹处理，外形计算等各种处理和操 作。 本课题采用p r o e n g i n e e r ( p r o e ) 软件作为乍维建模软件。p r o e n g i n e e r 是美国参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n 0 1 0 9 yc o r i ) o r a t i o n ，简称p t c ) 的重要 产品，是一款集c a d c a m c a e 功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维 造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械c a d c a e c a m 领域的 新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功自勺c a d c a m 软件之一。它的 内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态 模拟与仿真、工程图的输出、生产加工成产品的全过程，其中还包括了大量的 电缆和管道布线、模具设计与分析等实用模块。应隋领域包括航空航天、汽车、 机械、n c 加工、电子等诸多行业。 p r o e 第一个提出了参数化设计的概念，并剧采用了单一数据库来解决特 征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用爿可以根据自身的需要进行选 择，而不必安装所有模块。p r o e 的基于特征方式，能够将设计至生产全过程 1 6 集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用 到单机上。p r o e 采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配 设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。 本课题所采用版本为p r o e n g i n e e rw i l d n r e4 0 。 4 2 离心泵研究模型的建立 p r o e 建模在本课题中是一个非常重要的环 决定了i c e m c f d 中网格划分的成功与否， f l u e n t 计算的成功与否，因此建模是一个关键 中流程图： ，建模结果的好坏效果直接 网格划分的好坏又决定了 步骤。下面是这次整个模拟 建：统_ 蚓鞫：系，憋尹h 膝始h 纸捌 引撼7 二成蜗事 创建i 图4 1 建模流科图 誉霪囱 图4 2 叶轮c a d 图 1 、叶轮盖板的建模 叶轮盖板的建模比较简单，如图4 。2 所示， 就能得到。 拉伸 的叶 稳定 ，根据图纸的要求 l 建一个基准面； n 1 的圆； 要将实体部分绕中心轴旋转 立了p r o e 建模的基本思路 ( 3 ) 通过圆心，每隔10 。画一条直线； ( 4 ) 根据所给叶片的尺寸要求在每条直线上取点； ( 5 ) 通过样条线命令把每点连接起来就形成扩叶片的形状。完成草图后用 命令创建出一个叶片，然后创建一个斜面并与叶片求差，最后得到一个斜 片。通过旋转陈列就可到同样的四个叶片。 3 、背叶片的建模 背叶片的主要功能是抵消叶轮高速旋转带来的轴向力，保持离心泵系统的 和运转正常，同时，背叶片还有离心密封作用。背叶片的建模用简单的拉 lr 由个ll牛 夯 一口k 繁 郏擗揪篡 车h_了 键 的为 r 卜 7 0 ，) 一 扯 板径 模鼢 盖直 键枞 讲卟 瑚剧 计卜 片喉 在画 、r，l，l 2 盱 ： 下 到。然后通过旋转陈列可同样得到需要的 建模，我们可以得到叶轮的三维模型，如- f 。 毫 j 譬夕。彰淤一壹 q ! ； i 1 一 。 。一。：- 矿1 i i 。渊 ( b ) 叶 目是使流 量损失的 口扩散段 e 的一个 要求和建 j 八个成 耋面上做 拾须相同 ：要封闭， i l 成的圆 戋面间的 1 9 2 、 扩 断面连 用混合 所示。 面的八个 面；然后 如图4 5 幽4 5 蜗壳三维幽 4 2 3 泵外部元件的创建 泵的外部元件在文中指的是盖板、耦合面、进水口和出水口。盖板有自讧后 盖板之分，它的主要作用是封闭蜗壳和叶轮。创建盖板相对比较简单，只要画 一条与盖板半径一样的直线，然后用扫掠命令就能创建出来。耦合面也有两个， 分别是前盖板与进水口之问的一个面和前后盖板之间的包裹叶轮的一个曲面。 ，n 它的创建方式与盖 的引导线不同而已 到整个离心泵的实 本论 是：前弯 5 ，6 ，7 ， 来做分析 叶轮三维 可以了，只是它们 大同小异。最后得 图4 70 背叶片叶轮模型 幽4 8 直8 形式叶轮模型 图4 - 9 前弯8 形式叶轮模型 4 3 离心泵研究模型的网格化 对流场区域进行数 问上连续的计算区域进 节点。由于工程中遇到 网格的生成已成为计算 结果的最终精度及计算 4 3 1 网格化技术概述 计算流体动力学对 结构网格两大类。 值模拟 行剖分 的流动 流体动 效率， 模型划 孵i j 攀 、净 辫 。_ 爹爹 ，第一大步是模型的建立及网格的生成，即对空 ，把它划分成多个子区域，并确定每个区域中的 问题大都发生在复杂区域内，因而不规则区域内 力学中一个很重要的领域。在流动问题数值计算 主要取决于所生成的网格质量与所采用的算法。 分网格用的网格模式主要有两类：结构网格和非 1 、结构网格技术 结构网格技术算法简单，并且能够达到要求( 一般的计算区域边界。在目前己被广泛应用。 三维结构网格有代数生成法、微分方程生成 块结构网格方法四种生成方法。代数生成法使用目 同时也能在一定地范围内控制网格的形状与密度。 值函数来建立起计算平面与物理平面节点之问的j 成的网格是光滑的，对复杂的几何边界也能很好e 过求解一个偏微分方程来确定与计算：平面上规则e 上节点的位置。但是微分方程生成法也有自己的歹 定，且较难实现内部点的控制。双曲型网格生成了 算时问快，最大的优点是能保证网格在边界处的t 的工作方式是通过求解双曲型微分方程来达到效喜 足，那就是边界上的任何不连续都会影响到内部p 位置不能事先得到确定。分块结构网格方法是将历 2 2 精度，一般应用于复杂程度 、双曲型网格生成方法、分 来方法简便，并节省时间， 它的工作方式是利用各种插 寸应关系。微分方程生成法生 处理。微分方程生成法是通 域中各节点相应的物理平面 足之处，那就是源项很难确 法容易控制网格的尺寸，计 交性。双曲型网格生成方法 的。然而它存在着自身的不 格节点的生成，而且外边界 始的物理区域按不同的空间 黼溅 黪鬻 一。 爹一 拓扑结构分成若干区域块，每个单块网格的拓扑结构简单，易于生成贴体网格， 然后合并这些单域贴体网格形成复杂外形的空间网格。区域分解的基本原则是： 尽量使每个子域的边界简单以便于网格的建立；各子域大小也尽量相同，以实 现计算负载的平衡。 2 、非结构网格技术 非结构网格技术于上世纪8 0 年代9 0 年代迅速发展起来的。非结构网格技 术其基本思想是：任何空间区域都可以被以四面体为单元的网格所划分。由于 非结构网格舍去了网格节点的结构性限制，易于控制网格单元的大小、形状及 网格点的位置，因此比结构网格具有更好的灵活性，对复杂外形的适应能力更 强。此外，对于结构网格，在计算域内网格线和平面都应保持连续，并正交于 物体边界和相邻的网格线、面，而非结构网格则壳此限制，这就消除了网格生 成中的一个主要障碍，且其网格中一个点周围的点数和单元数都是不固定的， 可以方便地作白适应计算，合理地分布网格疏密，提高计算精度。正因为这一 系列优点，非结构网格技术近年来受到了高度重视，得到了很大发展【1 3 】。 4 3 2 模型与网格划分的匹配问题 模型的建立必须与网格划分软件相匹配，这是由于不同m e s h 划：分软件的 不同特点所决定的。我们以i c e m c f d 软件为例，它只会在b o d y ( i c e m c f d 中划分体网格的单元名称1 内划分体网格，因此不向的流动区域必须做成不同的 b o d y 。i c e m c f d 对一个b o d y 的判断是：一个连续的实体或者一个封闭的壳体。 本课题中离心泵的计算主要有三个部位，即旋转的叶轮部分( 包含背叶片流道) 、 静止的进口段和蜗壳部分。所以在模型中我们创建了不同部位的b o d y 。但是不 同的b o d y 之间的交界面是有重叠部分的两个面，然而两个b o d y 之间并没有任 何联系。我们要使得流动得以进行，必须使它们之问发生联系。这就：是我们的 问题所在。为了解决这一问题，在后期的f l u e n t 计算中，我们提出了三个解决 方案： 1 、使用i n t e r f a c e 边界条件。交界面是两个面，它们的网格类型可以是任 意离心泵内部流场及性能影响的数值分析。网格单元的流动参数传递：是通过交 界面区域的网格节点完成的。 2 、使用m i x i n gp l a n e 模型。交界面是两个面，它们的网格类型可以是任意 的，两个b o d y 内的流动看成稳态问题来解决。流劫参数在m i x i n gp l a n e 混合面 上沿周向平均，平均值在两个b o d y 之间相互传递。 3 、使用i n t e r i o r 边界条件。交界面为一个面，只有一种网格类型。，流动参 数直接通过共用网格的节点在不同b o d y 之间传递。 通过上面的分析可以得到两点结论： 结论一：三种解决方案有三种不同的网格要求，三种不同的网格要求也就 决定了三种不同的模型处理方法； ，) 气 结论二：方法3 ，即使用i n t e r i o r 边界条件是 够在不同b o d y 之间直接传递流动信息。 本文就是利用方法3 解决在不同b o d y 问的 计算中会进一步体现。 直接的参数传递方式，它能 动问题，这在后面的f l u e n t 4 3 3 离心泵的网格划分 前面比较了结构网格和非结构网格的特点，非结构网格的良好自适应性， 适合在扭曲严重的不规则区域内使用等优点正好可以应用于本课题的背叶片流 道分析的研究。下面主要介绍下单流道内网格的划分方法。 i c e m c f d 使用的是8 分树( o c t r e e ) 法则来划分网格的，o c t r e e 法则这种方 法于2 0 世纪8 0 世纪是由m a r ks h e p h e r d 创立的。1o c t r e e 法则主要内容就是先 用六面体网格剖分流场，再在六面体内部增加节点，从而将原有网格m e s h 剖 分为更小的单元，直到满足网格精度要求的一种方法【2 0 2 8 1 。 本文采用a n s y s 模块c f d 的前处理器i c e m c f d 软件来对离心泵流道进 行网格划分。i c e m c f d 是一款针对流体方面很强大的软件，它自身就带有三 维建模的功能并且与、a u t o c a d 、p r o e 、c a t a 、u g 、s o l i dw o r k s 等众多 三维c a d 软件有直接接口，可以导入常用的几何模型标准文件格式如p a r a s o l i d 、s t e p 、i g e s 、d w g 等，我们常用i g e s 作为软件的接口文件；可按照 多个求解器的格式输出网格。i c e m c f d 的有点在于对模型的要求并不苛刻， 也不需要将流道做成实体，可以自行定义材料点。下面具体介绍网格划分步骤 ( 为了观察方便，这罩截取的图样都去掉了叶轮的盖板) ： 1 、导入并检查实体模型，首先要定义体，即b o ( 1 y 。具体步骤为：从i c e m c f d 中读入模型的i g s 文件，然后先定义不同的b o d y ，在本文把进口延伸段定义为 b o d y l ，叶片流道定义为b o d y 2 ，蜗壳流道定义为1 d o d y 3 ，背叶片流道为b o d y 4 ， 定义b o d y 的目的是保证网格充满整个泵的流体区域。 2 、将模型中的面分别定义不同的p a r t ，并且以不同的颜色区分，将网格尺 寸一样的面定义在同一个p a r t 里( 主要是功能一致的) ，点和线分开定义p a r t ， 第一个模型要全部定义，之后的模型就不需要全部定义了，只需要将与第一个 模型不同的部分定义好就行了，具体步骤为：打_ 丌第一个模型的p r j 二乏件，然 后导入新的i g s 文件，让后两个模型相互融合，将新导入的面、点、线定义成 p a r t ，将多余的p a r t 及时删掉。如图4 1 1 所示。 3 、定义材料点。本文的计算模型分成四个流体区域，分别为：进口延伸段、 叶片流道、背叶片流道以及蜗壳流道，因此需要列义相应的材料点。图4 12 是 全定义好的离心泵模型。 图4 - 1 l 定义女，p ar i 的离心泵恢叩!俐4 12 仑定义盘r 的离心泵模7 弘 4 、将定义好的各个p a 九分别给定网格尺寸，要保证网格的尺寸适中，如 果太人，网格质最小能保，如果人小，例格4 i 容易划过去，j 弋、j 定立，之后就 j r 始划分网格，采用四面体非结构刚格，划好之后对网格进行光顺。 5 、检查网格质量，当出现漏洞时，要及时检查，看所选取的面、线、点是 否漏了或选重复了，进而弥补漏洞，并且要优化网格，保证网格精度。 f 而是离心泵的网格示意图。 i 冬i4 13 格体网格蚓 图4 14 虫呙壳网格幽 i 刳4 一l5 叶j j j 叶轮网格隆i 辫 ： 誊 锦翰糍。 肇 ，熄 j 孵甓熙嘲 f 、 = ； 洲， 船_ ；! 绎姆” 。淹。 | 冬l4 16 辛 l 。片盖板与背叶片网格图 由j i 模型j 髟了过多，卉：这【批ji 列部分离一心泉及各部件的删格图。谯卜n l j 的章节中将把这螳网格化好的模型导入到f 1 u e n t6 3 软件进行数值模拟，比较 和分析背叶片备种彤和数| _ ：i 对离心泵内部流场的影响，从而达到对离心泉的 研究和改进提供理论依据。 2 6 第五章离心泵研究模型的数值模拟及结果分析 本章采用工程上普遍采用的尼占双方程湍流模型和s m p l e 算法，对离心 泵内部流场进行了数值模拟，采用f l u e n t 软件分别模拟了离心泵前：弯、后弯 和直的3 种背叶片形式，数目为3 1o 共8 种背口俨片数目的两相介质工况下的 内部流场。 5 1f l u e n t 数值模拟简介 f l u e n t 模拟计算的步骤如下7 | ： 第一步：启动f 1 u e n t 求解器。 本课题研究的离心泵模型为三维模型，在启刮f 1 u e n t 解器( 3 d ) 。 第二步：导入网格，并进行相关的网格操作。 在这一步，首先需要对导入的网格模型进行网9 格的检 的质量，如果观察到存在所划的网格的最小体积有小于零 分网格。然后设置计算区域的尺寸，需要将i c e m _ - c f d 中 f lu e n t 后的模型的单位保持统一。 第三步：选择基本求解器。 本课题的求解器选用s e g r e g a t e d ( 分离式) ，采 流动介质为水和沙子( 在这里沙子浓度将其定位 下是不可压的，故可以用分离式求解器计算，同 离心泵高度虽然不高，但仍需要考虑重力影响。 9 8 m s ，在此处首先不考虑进口压力，根据计 比较。紊流模型选用标准盯s 两方程模型，近壁 速度与压力耦合方式采用s m p l e 算法，动量、 采用二阶迎风格式。 第四步：f l u e n t 操作环境的设置，需要设置 择采用系统默认设置， 换热器模型计算区域， 第五步： 即操作压力默认为标准大 即周围空气大气压。 时，选择三维精度求 查，查看网格的划分 的情况，则需重新划 的模型的单位与导入 隐式算法，流动为稳态流动。 i 里即不变动的) ，一般情况 这种求解器对资源要求低。 运行环境设置重力加速度为 后再去掉进口压力，并进行 歪采用标准壁面函数法处理。 动能、耗散率方程的离散均 算参考压力和重力。参数选 压，参考压力位置选择远离 定义流体的物理性质。可设置的材料属性有密度或分子量、黏性、 比热容、热传导系数、质量扩散系数、标准状态焓l 、分子运动论中的各个参数。 f l u e n t 材料库旱有该两种流体的物性参数，只需从数据库中直接调出， 已复制材料的属性进行相关修改。 然后对 第六步：设置边界条件。其中又包括设置各区域的材料、设置入口边界条 件以及设置出口边界条件。f 1 u e n t 6 3 提供的入口边界条件有速度入口、质量 入口、压力入口。本课题背叶片对离心泵内部流场的模拟采用速度入口边界条 2 7 件。速度入口用于定义流动入口边界处的速度和流动的其他标量型变量；出口 边界条件采用出流，用于规定在求解前流速和压力未知的出口边界，该边界条 件适用于在出口的流动接近于充分发展条件的情况下。 5 2 边界条件定义 在f l u e n t 中有l3 种较为常用的边界类型【“i ： ( 1 ) w a l l ：壁面边界 又称固体壁面，通常用于限制流体和固体区劂，该类型定义后可在f lu e n t 中具体定义其为静止、运动、滑移或热边界。 ( 2 ) v e l o c i t y j n l e t ：速度入口边界 该类型定义后可在f 1u e n t 中输入具体的流动八口速度和标量。 ( 3 ) m a s s f l o w _ i n l e t ：质量流动入口边界 该类型定义后可在f 1 u e n t 中输入具体的质量流速，该类型适用于可压缩流 体，对于不可压缩流体可不必定义此种类型。 ( 4 ) p r e ss u r e _ in le t ：压力入口边界 该类型定义后可在f 1u e n t 中具体输入入口边界的总压、静压等标量。 ( 5 ) o u t f l o w ：出口流动边界 改边界用于模拟未知出口速度或压力的情况，1 假定除了压力之外的所有流 动变量正法向的梯度为o ，不能用于定义可压缩流勘的边界。 ( 6 ) p r e s s u r e o u t l e t ：压力出口边界 在f lu e n t 中可输入具体的出口静压值，当有回流时，使用压力出口边界代 替o u t f l o w 边界往往更容易收敛。 ( 7 ) p r e s s u r e f a r f i e l d ：压力远场边界 用于模拟无穷远处的自由可压流动，只适用于可压流动。 ( 8 ) s y m m e t r y ：对称边界 用于研究对象具有镜像特征的情况。 ( 9 ) a x i s ：轴边界 必须使用在几何外形的中线处。 ( 1 0 ) i n t a k ef a n ：进气扇边界 用于模拟外部进气扇，f l u e n t 中需要给定压降、流动方向、周围环境的总 压及总温。 ( 1 1 ) e x h a u 吼一f a n 排气扇边界 用于模拟外部排气扇，f lu e n t 中需要给定压降及周围环境的静压。 ( 1 2 ) i n l e tv e n t ：进j x l 口边界 用于模拟进风口，f l u e n t 中需要给定损失系判、流动方向、周围环境的总 压及总温。 ( 1 3 ) o u t l e tv e n t ：通风口边界 用于模拟通风口，f lu e n t 中需要给定损失系l 数、周围环境的静压及静温。 在网格划分模块( m e s h ) 菜单栏中