（流体机械及工程专业论文）旋流泵内部流场全三维数值模拟.pdf

硕士学位论文 摘要 x 型旋流泵具有良好的无堵塞性能，适用于输送污水，带有纤维和较大颗粒 的混合液。旋流泵内部的流动情况比较复杂，目前对旋流泵的流动机理了解的不 是很清楚，所以旋流泵的设计理论也不完善，在工程设计中多数的设计是建立在 经验基础之上，利用清水泵设计理论并加以修正来进行设计，所以设计出的泵型 效率偏低。因此迫切需要对旋流泵的内部流动规律进行深入的研究，为设计出高 效且运行稳定的旋流泵提供理论基础。 旋流泵是一种叶轮退缩在泵体内，具有较大的无叶腔的一种杂质泵，其内部 流动比较复杂，利用测试手段显示泵内的流动状况所需成本高、周期长，且测试 结果受到测试手段的限制。为了找到研究旋流泵内部流动的新方法，本文利用 p r o e 建立旋流泵的三维模型，并用g a i t 划分了网格，采用比较成熟的七一占 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 l n t 软件模拟了旋流泵在清水中 改变叶片宽度以及改变叶轮外径与壳体间隙值时的内部流场并分析出这些参数对 旋流泵性能的影响进而确定性能较好的水力模型。再利用f l u e n t 软件对此模型 在改变颗粒直径和进口初始固相浓度后的固液两相介质工况下的内部流场进行了 模拟，得到了泵内的压力分布、速度分布、固相浓度分布等重要的流场信息，总 结出旋流泵的内部流动规律，可用于指导旋流泵的水力设计。 文中对旋流泵的主要研究成果如下： 1 将叶轮由原先的直叶片改成弯曲叶片，其泵的性能得到了提高。 2 在清水条件下，叶片宽度越宽其旋流泵的扬程越大但是效率却表现为先上 升后下降的趋势进而找到了原模型的最佳叶片宽度值为4 8 毫米。 3 在清水条件下，加大叶轮外径与壳体间隙值其旋流泵的扬程和效率均表现 为先上升后下降的趋势进而找到了原模型的最优叶轮外径与壳体间隙值为1 7 毫 米。 4 分析了固体颗粒直径及含沙量的改变对旋流泵的压力场、速度场的影响。 关键词：旋流泵；内部流动；两相流；数值模拟 旋流泵内部流场全三维数值模拟 a b s t r a c t x t y p ev o n e x p u m ph a sg o o dp e r f o r m a n c eo fn o n - j a m ，a n di t i se a s i l ym a d et o t r a n s p o r tt h es e w a g ed e i j e c t sa n d1 i q u i ds u s p e n d i n gf i b e ra n dl a i g eg r a i nm i x e d i nf l u i d t h ef l o wm e c h a n i s mo fv o r t e x - p u m pi sn o tw e l lc o m p r e h e n d e d ，t h ef l o wo ft h ep u m p i sv e r yc o m p i i c a t e ds ot h ed e s i g nt h e o r yo fv o r t e x p u m pi sn o tp e r f e c t ，a n dm a n y d e s i g n sw h i c ha r eb a s e do nt h ee x p e r i e n c ei nm a n ye n g i n e e r i n gd e s i g n sa c c o r d i n gt o t h ep u r ew a t e rp u m pd e s i g nt h e o r y ，s ot h a tt h er e s u l t so fw h i c hh a sn og o o d p e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t y 。i t i su r g e mn e c e s s a r yt os t u d yt h ef l o wf i e l di nt h e v o r t e x p u m p ，a n dp r o v i d eab e t t e rb a s et od e s i g nt h ep u m pw i t hh i g hp e r f l o r m a n c ea n d 9 0 0 ds t a b i l i ty v r o r t e x p u m pi sak i n do fv a n et y p ec e n t r i f u g a lp u m pt h a tt h ei m p e l l e rw a s d r a w n t ot h ep u m pb o d ya n dw h i c hh a sal a 唱en o n - i m p e n e rf i e l d t h ef l o wi nt h ep u m pi s v e r yc o m p l i c a t e d i fw eu s et h et e s t i n gm e a n st od i s p l a yt h ef l o ws t a t u s ，t h ec o s t i s h i g h ；t h ep e r i o di sl o n g ，a n da l s ol i m i t e db yt h et e s t i n gm e a n s t b f i n dan e ws t u d y i n g m e a n so ft h ef l o wi n s i d ev o r t e x - p u m p ，i nt h i sp a p e r t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo f v o r t e x p u m pi se s t a b l i s h e dw i t h p r o ea n dt h eg r i d sa r ep o l t e du s i n gg a m b i t n - s e q u a t i o ni se n c l o s e da n ds o l v e db yr i p e rk s t u r b u l e n c em o d e l u s i n gf i n i t ev 0 1 u m e m e t h o ds c a t t e r st h ee q u a t i o nw i t hp r e s s u r e v e l o c i t yc o n n e c t i o na l g o r i t h ms i m p l e c f l u e n ts o r w a r ew a su s e dt os i m u l a t et h ei n n e rn o wo ft h ep u m pi nt h ec a s eo f c h a n g i n gi m p e 王l e rb r e a d t ha n dt h ec l e a r a n c eb e t w e e nt h ei m p e l l e rsf r i n g ea n ds h e l l w h e r e a r e ra n a l y s i s i n go ft h e s ep a r a m e t e r so nt h ei m p a c to fv o r t e x p u m p p e r f o r m a n c ea n db e t t e rh y d r a u l i cm o d e li sc o n f i r m e d t h ei n t e r i o rp u m pn o ww i t h s m a l lp a r t i c l e sw a sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e du s i n gf l u e n ts o r w a r eb ym e a n so f v a r y i n gp a r t i c l es i z ea n dc o n c e n t r a t i o ni nt h ew o r k i n gm e d i u m t h ed i s t r i b u t i o no f v e l o c i t y ，p r e s s u r e ，p a r t i c l ec o n c e n t f a t i o na n dt h eo t h e ri m p o r t a n ti n f o r m a t i o nw a s o b t a i n e d i n s i d en o wm l eo f v o r t e x p u m p si ss u m m a r i z e dw h i c hc a ng u i d et h ew a yo f v r t e x p u m pd e s i g n t h em a i nr e s e a r c ho ft h ev o r t e x p u m pa sf o l l o w i n g ： 1 i nt h ec a s eo fc h a n g i n gt h ei m p e l l e rf r o mf o r m e rs t r a i g h tb l a d et oc u r 、，e db l a d e t h e 如n c t i o no fv o r t e x - p u m ph a sg o tr i s e 。 2 i nt h es i t u a t i o no fp u r ew a t e rb l a d ew i d t hi st h eb r o a d e rt h ev o r t e x p u m ph e a di s b i g g e rb u te f 芄c i e n c yt r e n dc o m i n gd o w na r e rr i s i n gf i r s ta n dt h e no p t i m i z a t i o n w i d t hi sf i x e do n4 8m i l l i m e t e r 硕士学位论文 3 i nt h es i t u a t i o no fp u r ew a t e re n l a r g i n gc l e a r a n c eb e t w e e nt h ei m p e l l e r sf r i n g e a n ds h e l lt h ep u m ph e a da n de f f i c i e n c yt r e n dc o m i n gd o w na f t e rr i s i n gf i r s ta n d t h e no p t i m i z a t i o nc l e a r a n c ei sf i x e do n17m i l l i m e t e r 4 t h ei n n u e n c e yo fv o r t e x p u m p sp r e s s u r ea n dv e l o c i t yf i e l dt h r o u g ho fv a r y i n g p a r t i c l es i z ea n dc o n c e n t r a t i o ni nt h ew o r k i n gm e d i u mi sa n a l y s e d k e yw o r d s ：v o r t e x p u m p ；i n n e rf l o w ；t w o - p h a s ef l o w ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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：彦易书、 日期：裾年彳月日 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。 作者签名： 导师签名： 李够衿 去猡 钐硼 日期： 髫年彳月日 日期：乃彦年否影日 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( 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【1 3 1 和设计方法【扣7 1 的研究上比较少，大多是实验和理论研究，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【8 】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【9 1 、大庭英树 【1 0 1 和西德的r u t s c h i l l l l 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【1 2 】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【1 3 以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。 1 2 2 数值模拟手段 1 2 2 1 数学模型的建立 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 y 等人首先提出了旋流泵的流 旋流泵内部流场全三维数值模拟 动模型【1 6 】如图1 1 所示。假定流动是稳定 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( ) ，叶轮排出流区( ) 即再循环流及泵出口排量分离区，泵排出 ( v ) ) ：旷刀7 弋j 黝 ：z z z z ( i )髟钐 图1 1 流动模型1 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， 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【1 0 】，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【9 1 ，如图1 3 所示，并用实验方法来 并进行了泵内流动状态空气模型试验。 图1 2 流动模型2 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。 图1 3 流动模型3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 硕士学位论文 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i l 纠， 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【1 7 】；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 8 】；施卫东等对型号为w q x 2 0 1 6 2 2 的旋流泵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 】，采用修正的k g 模型并应用s i m p 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供了新的依据；夏朋辉，刘树红，吴玉 林对) b 1 0 0 8 0 2 0 0 型旋流泵进行数值模拟【2 们，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 1 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 部流动在该时期最早采用的是奇点一面元法【2 2 2 3 1 。 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【2 4 ，2 5 1 ，对离心 旋流泵内部流场全三维数值模拟 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，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：m a n k - 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【2 3 1 。 1 3 2 2 射流一尾迹模型 所谓射流一尾迹【2 6 】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【2 7 1 。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的控制方程，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【2 3 1 。 硕士学位论文 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( l e s ) 、r e y n o l d s 平均法( r a n s ) 。 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做任何简化或近似，理论上可以得到相对准确 的计算结果【2 8 ，2 9 1 。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【2 9 3 0 】，在不远的将来，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 r i n 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【3 1 ，3 2 1 。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 l u e 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 3 ，3 4 1o 1 3 3 3r e y n o i 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 y 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【3 5 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 0 1 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 y 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以大量的试验观测结果为基础进行假定。 旋流泵内部流场全三维数值模拟 根据r e y 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r n gk 占模型和 r e a l i z a b l ek 占模型。 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2 6 ，2 7 1 。 旋流泵的数值模拟计算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【1 9 】，采用修正的k g 模型并应用s i m p 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，刘树红，吴玉林对x d b l o o 8 0 2 0 0 型 旋流泵进行数值模拟【2 0 1 ，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 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 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 n i c s 、c f x 、s t a r c d 、f i d i p 、f l u e n t 等商 用c f d 软件【2 9 1 ，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 硕士学位论文 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 术的快速发展，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 n i 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 n i 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 ml i m i t e d ( c h m ) 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 n 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 n 讯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 m 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 i d i p ：是由英国f l u i dd y n a m i c si n t e r n 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 l n t 公司收购，目前的f i d i p 软件是 f l u e 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。 ( e ) f l 切巳n t ：是由f l 切巳n t 公司1 9 8 3 年推出的c f d 软件，它是继p h o e n i 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g a 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 a i t 的最大缺点是模型的修改功能比较弱。但f l u e n t 可读入各种专门网格 生成软件所输出的文件，f l 切巳n t 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。 旋流泵内部流场全三维数值模拟 1 4 本课题的意义和所研究的主要内容 1 4 1 本课题的意义 由于旋流泵的应用相当广泛，而目前该系列泵的效率普遍较低，故对其进行 研究很有实际意义。本文将新乡水泵厂生产的8 0 x 1 3 5 型旋流泵作为研究对象， 并改变叶片形状、叶片宽度值b 以及通过改变叶轮腔蜗壳的大小进而改变叶轮外 径与壳体间隙值e ( 见图1 5 、图1 6 ) 的情况下对其内部流场进行清水介质的数值 模拟，找出其内部流动规律及各个参数对旋流泵的影响。由北村伊格尔所做的大 量试验结果表明弯曲叶片的性能高于直叶片，双向弯曲的性能又高于单向弯曲叶 片其中r 3 0 f 3 0 叶片性能最好n 3 。图1 5 中f 表示弯曲方向与旋转方向相同，r 表示弯曲方向与旋转方向相反，3 0 表示倾斜角为3 0 度。故本文选用r 3 0 f 3 0 的 叶片以及最佳参数b 、e 值的模型进行含沙水的数值模拟从而找到含沙量以及颗 粒直径对泵性能的影响对改进旋流泵的设计方法具有一定的参考意义。 图1 5 叶轮弯曲方向示意图图1 6 结构参数示意图 1 4 2 本课题所研究的主要内容 本文完成的主要任务如下： ( 1 ) 对改变叶片形状后的8 0 x 一1 3 5 型旋流泵进行三维建模和网格划分。 ( 2 ) 分别对该泵的五组叶片宽度时各种流量下输送清水介质的流场进行数值 模拟，并确定最佳的叶片宽度。 ( 3 ) 分别对( 2 ) 中所确定的最优叶片宽度模型在改变叶轮外径与壳体间隙值后 在各种流量下输送清水介质的流场进行数值模拟，并确定最佳叶轮外径与壳体间 隙值。 硕士学位论文 ( 4 ) 对于前面所确定的最优模型进行改变沙粒直径及浓度的两相数值模拟。 ( 5 ) 根据数值模拟结果来探究含沙量以及颗粒直径对泵性能的影响。 旋流泵内部流场全三维数值模拟 第2 章计算模型的建立和网格生成 2 1 模型的建立 2 1 1 三维实体模型的建立 本课题选取河南新乡水泵厂生产的8 0 x 1 3 5 型旋流泵做为研究对象。 8 0 x 1 3 5 型旋流泵的型号意义及参数：8 0 为泵排出口直径，x 为旋流无堵塞，1 3 5 为水泵扬程。泵的参数见表2 1 ： 表2 1 旋流泵性能参数表 必需的汽蚀余量 流量q扬程h效率t l转速n配套功率n ( n p s h ) r ( m 3 ，h )( m )( ) ( r p m )( k w ) ( m ) 4 81 4 24 63 3 8 01 3 55 1 31 4 8 03 97 5 1 0 81 1 24 5 5 5 1 旋流泵的其他相关参数为：叶轮直径2 0 0 m m ，流量8 0 m 3 h ，扬程1 3 5 m ，转 速1 4 8 0 r m i n ，叶轮宽度3 8 m m ，叶片厚度7 m m ，叶片数7 片，环形蜗室直径2 2 4 m m ， 进口直径1 0 0 m m ，出口直径8 0 m m ，无叶腔宽度7 0 m m 。选用p r o e 为造型软件 对旋流泵的三维实体进行造型设计，得到模型图见图2 1 和图2 2 ，保存文件类型 为木s t p 格式。 图2 1 剖视图图2 2 整体模型 麟鬻鬻缀缓戮缓瓣鬻蘩麟 硕士学位论文 2 2 网格生成 网格是c f d 模型的几何表达形式，也是数值模拟计算与分析的载体，在计算 流体动力学中，网格生成对c f d 计算至关重要，直接关系到数值模拟计算的成败。 所以对网格生成应给予足够的重视。 在计算流体动力学中，按照一定规律分布于流场中的离散点的集合叫网格 ( g r i d ) 。网格分为非结构网格与结构网格两大类。结构网格是一种传统的网格 形式，网格本身利用了几何体的规则形状，结构网格的优势是易于生成物面附近 的边界层网格，有许多成熟的计算方法和比较好的湍流计算模型；非结构网格的 节点以一种不规则的方式布置在流场中，这种网格虽然生成过程比较复杂，但却 有极大的适应性，尤其对复杂边界的流场计算特别有效。 现在网格生成技术已经发展成为c f d 的一个重要分支，它也是计算流体动力 学近二十年来一个取得较大进展的领域。也正是网格生成技术的迅速发展，才实 现了流场中求解e u l e 州s 方程，并将其应用于设计与优化以及流场分析与计算。 现在已有一些比较先进的网格生成软件，如i c e m 、g r i d g e n 、g a m b i t 等。本 文利用g a m b i t 软件生成网格，对g a m b i t 软件进行简要介绍【3 6 1 。 2 2 1g a m blt 网格生成软件 造型时要求计算模型能够准确、完整地表示实体。g 蝴b i t 软件常用如下四 种方法来表示物体： ( 1 ) 边界表示法1 3 7 1 ，即用实体边界表示实体的方法( b o u d a r yr e p r e s e r l t a t i o n ) ， 简称b r e p 。 ( 2 ) 实体几何造型表示法( c o n s t m c t i v es o l i dg e o m e 忉，简称c s g 表示法， 也称t o p d o w n 表示法，其基本思想是用简单实体的各种有序的“加”和“减”，通过 布尔运算并、差、交来表示复杂的实体。 ( 3 ) 扫描表示法【3 引，也称b o t t o m u p 方式，其基本思想是将“实体”的点取出， 作为一个“区域集”，然后形成线，继而形成面，最后生成体。 ( 4 ) 混合表示法，即以上三种表示法的混合运用。 实体造型时通常以其中一种方法作为基本方法，混合采用其它方法来完成实 体建模。采用g 蝴b i t 建立的实体模型修改较困难，一般都是使用g a m b i t 划 分网格的功能。 2 2 2 网格生成 在g a m b i t 中读入所保存类型为s t p 文件后，对三维实体模型进行布尔运 算后，对模型进行网格划分和边界条件设定。下面依次做简单介绍。 2 2 2 1 网格划分 旋流泵内部流场全三维数值模拟 本文通过布尔运算将数值模拟计算区域分为三部分：进口、无叶腔和出口、 叶轮旋转区域( 造型时对进口和出口已做适当延长) 。划分计算区域网格采用非结 构化六面体网格，其中进口、无叶腔、叶轮旋转区域的网格数目分别为2 1 7 1 8 、 2 4 0 4 8 1 、2 9 0 7 9 8 ，整个计算模型( 见图2 3 ) 的网格数目为5 5 2 9 9 7 个网格。 图2 3 旋流泵网格图 2 2 2 2 网格质量的检查 网格质量对计算的精度和稳定性有很大的影响，所以必须在划完网格后对网 格质量进行检查。质量好的网格收敛性好，质量差的网格造成计算精度不准确， 甚至计算结果发散。用r a n g e 方法检查时，趋于。是最好的，而趋于1 则是最坏 的。 2 2 3 指定边界条件及计算区域类型 边界条件及计算区域是c f d 计算的重要依据之一，它和网格有密切联系，边 界条件必须在g a m b i t 中初步指定，以后在f 1 u e n t 中还可以修改。计算区域中常 包括多种类型的边界及区域，在生成网格后，必须对边界条件进行准确的定义。 在指定边界条件时，最好对所有的面都进行定义，因为未定义的面g a m b i t 将会自 动定义为w a l l ；同时，在定义边界条件时应考虑边界条件的设置要有助于对以后 的计算结果分析，最好把不同类型的面分开定义，以免分析时混淆。划分和检查 网格及边界条件定义后将文件输出为幸m s h 文件，为模拟计算作准备。 硕士学位论文 第3 章内部流动的数值模拟方法 本文采用f l u e n t 软件【3 9 ，4 0 1 模拟8 0 x 1 3 5 型旋流泵的内部流动，模拟计算时对 进口、叶轮和蜗壳所组成的全三维流道整体进行计算；主要分析清水和含沙水条 件下旋流泵的流动规律及各主要参数的分布情况，并在改变泵的结构参数和介质 条件做模拟后分析这些结构参数以及不同的介质对于旋流泵会产生哪些影响。 3 1 准备计算网格 3 1 1 计算网格的读入 打开菜单f i l e 爪e a d c a s e 读入m s h 文件3 钉。 r e a d i n g ”e ：m o x i n b 3 8 5 5 3 m s h ” 1 0 2 3 8 5n o d e s 1 9 8 3 4m i x e dw a l lf a c e s ，z o n e5 4 1 6 6m i x e dw a uf a c e s ，z o n e6 16 2 4m i x e dw a l lf a c e s ，z o n e 7 5 2 4m i x e dw a l lf a c e s ，z o n e8 3 4 3 4m i x e dw a l lf a c e s ，z o n e9 4 6 9 0m i x e dw a l lf a c e s ，z o n elo 4 8 0 4m i x e dw a l lf a c e s ，z o n e11 5 8 5 6m i x e di n t e r i o rf a c e s ，z o n e1 2 6 7 9 8m i x e di n t e r i o rf a c e s ，z o n e13 7 4 4m i x e di n t e r i o rf a c e s ，z o n e14 4 5 8m i x e do u t f l o wf a c e s ，z o n e15 7 4 4m i x e dv e l o c i t y i n l e tf a c e s ，z o n e16 10 7 2 5 41m i x e di n t e r i o rf a c e s ，z o n e18 2 4 0 5 0 2t e t r a h e d r a lc e l l s ，z o n e2 2 9 0 81