（流体机械及工程专业论文）高比转速轴流泵水力优化设计.pdf

孟庆峰：高比转速轴流泵水力优化设计 i i i - 一一 c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： m d d i s s e r t a t i o n o p t i m i z a t i o nh y d r a u l i cd e s i g n o f h i g hs p e c i f i cs p e e d a x i a lf l o wp u m p m a j o r ：f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g a d v i s e r ：p r o f c h e ns o n g s h a n g r a d u a t es t u d e n t ：m e n gq i n g f e n g y a n g z h o uu n i v e r s i t y m a y , 2 0 1 2 孟庆峰：高比转速轴流泵水力优化设计 摘要 作为轴流泵装置的核心部件，轴流泵的叶轮和导叶，是整个轴流泵过流装置中重要的 组成部分。也是实现能量转换的重要组成，直接关系到水泵的性能。提高整个泵装置的性 能，基本都是从叶轮和导叶两个方面入手。因此，研究叶轮的结构参数和导叶体的布置位 置对水泵性能的影响具有现实的指导意义。 不同的参数设置方案对轴流泵的性能有着不同的影响。故有必要从轴流泵的内流场和 外特性出发来分析和研究不同情况对泵的影响。本文采用了三维湍流数值模拟( c f d ) 作 为研究手段，针对高速轴流泵在三种不同参数下的方案进行了数值模拟和分析，并总结了 一些规律。对研究高比转速轴流泵的水力优化设计有一定的参考价值。 本文的主要工作有： 1 、结合a u t o c a d 与p r o e n g i n e e r 软件对整个泵装置进行三维实体造型，采用i c e m 对进水管，出水管，弯管进行网格剖分，对叶轮和导叶体使用t u r b o g r i d 进行网格剖分； 2 、利用c f d 软件( a n s y sc f x1 2 o ) ，基于雷诺时均n a v i e r s t o c k e s 方程和标准k 一占 双方程湍流模型，对三种不同情况下( 不同叶片厚度，不同叶片数，不同导叶进口与叶轮 出口平行间距) 进行全通道数值模拟，捕捉叶轮内速度分布、静压分布等重要流动参数， 并进行对比分析； 3 、通过c f x p o s t 后处理得到如下结论： ( 1 ) 对不同叶片厚度的数值模拟计算分析之后可知，当流量较小时，叶片厚度的变 换，不会引起较大的变化，其扬程，功率和效率基本都是重合的；而在设计流量左右，叶 片厚度减小，相同流量下扬程趋势会有所改变，其趋势接近于在同一流量下，伴随厚度的 增加，其扬程，功率都会下降，在效率方面，可以明显的看出，虽然有类似于上面的趋势， 但是某些点还是发生了重叠的现象；大流量时，其扬程，功率和效率基本没有太大变化。 ( 2 ) 对不同叶片数的数值模拟计算分析后可知，相对于三片叶片而言，四片在小流 量情况下扬程和效率都相对较高；而在大流量情况下，两者基本重合。并且在马鞍区右侧 部分有上移的现象。 ( 3 ) 对不同的导叶进口与叶轮出口的平行间距s 进行数值模拟分析后可知，当s 的 数值取值比较小时( 在0 0 5 d - - 一0 1 d 之间) ，在设计流量下，出口速度环量分布及静压分布 相对均匀，对整个泵装置的性能提高有一定的提升。超出0 1 d 之后，出口速度环量分布及 静压分布都不十分理想，s 的改变对于整个泵装置性能的改变没有太大的影响。可见s 的 i i 扬州大学硕士学位论文 改变，在一定的范围内对泵装置的性能还是有影响的。单纯的靠改变间距s 来提高泵段的 整体性能还是有一定局限的，要根据泵的实际工况水平，来选择相对应的距离s 。 关键词：轴流泵；数值模拟；设计参数 孟庆峰：高比转速轴流泵水力优化设计i i i a b s t r a c t t h eg u i d ev a n e sa n dt h ei m p e l l e ro fh i g hs p e e da x i a lp u m pa r et h em o s ti m p o r t a n tp a r t so f t h ew h o l ef l o wp u m pu n i t t h e ya r ea l s ot h em a i ne n e r g yt r a n s i t i o np a r t s i ti sm a i n l yt h r o u g h s t u d y i n gg u i d ev a n ea n di m p e l l e ri no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ep u m pu n i t s oi th a s ap r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo ft h es t u d y i n gi nt h ep a r a m e t e r so ft h ei m p e l l e rs t r u c t u r ea n dt h eg u i d e v a n e sp o s i t i o ni nt h ep u m pu n i tp e r f o r m a n c e d i f f e r e n tp a r a m e t e rp l a n sh a v ed i f f e r e n ta f f e c t i o no na x i a lf l o wp u m p sp e r f o r m a n c e i t s n e c e s s a r yt os t u d yt h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n tp l a n so fp a r a m e t e r sb ya n a l y z i n ga x i a lp u m p s i n s i d ef l o wa n do u t s i d ec h a r a c t e r i s t i c s s i m u l a t i n ga n da n a l y z i n gt h et h r e ed i f f e r e n tp l a n sb yt h e w a yo fc f d ，w eg o ts o m er u l e sa n dt h e s er u l e sw i l lb et h er e f e r e n c ef o rt h ed e s i g nh y d r a u l i c o p t i m i z a t i o n o fh i g hs p e e da x i a lp u m p t h em a i nc o n t e n t sm e n t i o n e di nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w i n g ： 1 c o m b i n e d 谢ma u t o c a da n dp r o es o f t w a r et ot h ep u m pt h r e e d i m e n s i o n a lm o l d i n g ， u s i n gi c e mt oi n t a k ec o n d u i t ，o u t l e tc o n d u i t ，t u b eb e n d i n gt om e s hg e n e r a t i o n ，a n du s i n g t u r b o - 西d t ot h ei m p e l l e ra n dg u i d ev a n eb o d yt om e s h g e n e r a t i o n ； 2 u s i n gc f ds o f t w a r e ( a n s y sc f x1 2 o ) ，b a s e do nr e n a u l tt i m ee v e ne q u a t i o na n dt h e s t a n d a r dp r o c e s st u r b u l e n c em o d e l ，i nt h r e ed i f f e r e n tc a s e s ( d i f f e r e n tl e a ft h i c k n e s s ，d i f f e r e n tl e a f n u m b e r , d i f f e r e n td i f f u s e r , i m p o r ta n de x p o r ti m p e l l e rp a r a l l e ls p a c i n g ) f o rt h ew h o l ec h a n n e l n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c a p t u r et h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n ds t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，a n do t h e r 3 t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec a l c u t i o nr e s u l tw i t hc f x - p o s t ，w ec o u l ds e e ： ( 1 ) o nt h ed i f f e r e n tt h i c k n e s so fb l a d en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i ss h o w st h a t ：w h e nt h e f l o wb e c o m es m a l l ，t h ec h a n g eo fb l a d et h i c k n e s sd o e sn o tc a u s el a r g e rc h a n g e s ，t h el i n e so fi t s h e a d ，p o w e ra n de f f i c i e n c ya r eb a s i c a l l yc o i n c i d e n t ；w h e nt h ef l o wc o m e si nt h ed e s i g nf l o w , a c c o m p a n i e db yt h ed e c r e a s e so fb l a d et h i c k n e s s ，t h et e m do ft h eh e a dl i n ec h a n g e di nt h es a m e f l o w , t h et r e n dl o o k sl i k e a tt h es a m ef l o wr a t e ，诵t 1 1b l a d et h i c k n e s si n c r e a s i n g ，t h eh e a d ，p o w e r d e c l i n e s ，i nt e r m so fe f f i c i e n c y , w ec a nc l e a r l ys e et h a t ，a l t h o u g ht h e r ea r es i m i l a rt ot h ea b o v e t r e n d ，b u ta ts o m ep o i n to rt h eo v e r l a pp h e n o m e n o n ；w h e nt h ef l o wb e c o m el a r g e ，i t sh e a d ， p o w e r a n de f f i c i e n c yo fb a s i cd o e sn o th a v et o ob i gc h a i l g e i v 扬州大学硕士学位论文 ( 2 ) o nt h ed i f f e r e n tn u m b e ro fb l a d en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i ss h o w st h a t ：c o m p a r e d w i t ht h et h r e eb l a d e s t h e1 1 e a da n de f f i c i e n c yo ft h ef o u rb l a d e sl o o k sb e t t e ri nt h ec a s eo fs m a l l f l o w ；w h i l ei nt h eh i g hf l o ws i t u a t i o n ，b a s i c a l l yc o i n c i d e n c e a n d t h er i g h ts i d ep o r t i o no fs a d d l e a r e am o v e sh i g h e r ( 3 ) o nt h ep a r a l l e ls p a c eso f a x i a lf l o wp u m pg u i d ev a n ei n l e ts i d ea n dt h eo u t l e ts i d eo f i m p e l l e rb l a d ec h a n g e sn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s s h o w st h a t ：w h e n t h esb e c o m es m a l l ( 0 0 5 d 0 1d ) ，u n d e rt h ed e s i g nf l o w , t h eo fc i r c u l a t i o no ft h eo u t l e tv e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n d s t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nl o o k sr e l a t i v e l yu n i f o r m ，o nt h ep u m pp e r f o r m a n c et h e r ea r ec e r t a i n p r o m o t i o n b e y o n d 0 1 d ，t h eo u t l e tv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no fc i r c u l a t i o na n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n a r en o tv e r yi d e a l ，t h ea l t e r a t i o no fsh a v en o tm u c he f f e c ti nt h ep e r f o r m a n c eo ft h e p u m p v i s i b l ec h a n g e st ot h es ，i nac e r t a i nr a n g eo ft h ep u m pu n i tp e r f o r m a n c eo ri n f l u e n t i a l s i m p l yb yc h a n g i n gt h es p a c i n go fst oi m p r o v et h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo f t h ep u m ps e c t i o no r c o n f i n e dt oac e r t a i ne x t e n t ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o no fp u m pl e v e l s ，t os e l e c t t h ec o r r e s p o n d i n gd i s t a n c es k e y w o r d s ：a x i a lf l o wp u m p ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；i m p e l l e rs t r u c t u r a lp a r a m e t e r s 孟庆峰：高比转速轴流泵水力优化设计 v 符号说明 符号物理意义 h 扬程 q流量 7 7效率 ，z 转速 门s 比转速 哥相对速度 c o 旋转角速度 p密度 g 重力加速度 k 紊动能 s 紊动能耗散率 t q 粘性力张量 l ， 运动粘度 p t 涡粘系数 f 脚壁面剪切应力 z 叶片数 d叶轮直径 功导叶体出口直径 0 导叶体扩散角 s 导叶进口与叶轮出口的平行间距 扬州大学硕士学位论文 孟庆峰：高比转速轴流泵水力优化设计v i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 符号说明v 第1 章绪论l 1 1 课题研究目的和意义l 1 - 2 轴流泵及导叶的发展及趋势1 1 3 流场数值模拟研究现状3 1 4 主要研究工作4 参考文献4 第2 章轴流泵内流场三维湍流数值模拟方法6 2 1c f d 的发展与简介6 2 2 流动控制方程7 2 2 1 连续性方程7 2 2 2 动量方程( n s 方程) 7 2 2 3 能量方程7 2 3 标准k s 湍流模型8 2 4 有限体积法1 l 2 5 轴流泵内流场的数值计算方法1 2 2 6 动静耦合交界面的处理1 2 2 7 壁面函数法1 3 2 8c f x 软件1 4 参考文献1 4 第3 章轴流泵叶轮及导叶模型的建立及网格划分1 6 3 1 几何模型的建立1 6 3 2 计算模型的建立1 7 3 2 1 进水管造型1 7 3 2 2 出水管造型1 7 3 2 3 弯管造型17 v i i i扬州大学硕士学位论文 3 2 4 叶轮造型1 8 3 2 5 导叶体造型1 8 3 3 三维实体网格划分18 3 3 1 网格划分的意义18 3 3 2 网格的分类1 9 3 3 3 网格质量评估2 0 3 3 4 网格划分软件一c e m c f d 。2 1 3 3 5 网格划分软件t u r b o 嘶d 2 1 参考文献2 2 第4 章轴流泵叶轮三维湍流数值模拟2 3 4 1 计算参数的设置2 3 4 1 1 定义模拟类型2 3 4 1 2 静止域及旋转域的设置2 3 4 1 3 边界条件2 3 4 1 4 建立交界面2 4 4 1 5 设置求解参数2 4 4 2 计算求解2 4 4 3 叶片厚度数值计算方案设计2 5 4 4 网格无关性的验证2 6 4 5 叶片厚度数值模拟结果分析2 6 4 5 1 叶片厚度对轴流泵性能的影响2 6 4 5 2 叶片厚度对叶片速度矢量分布的影响2 8 4 5 3 叶片厚度对叶片不同展向位置静压沿弦向分布影响2 9 4 5 4 叶片厚度对导叶出口速度分布的影响3 3 4 5 5 叶片厚度对叶片吸力面和压力面分布的影响3 4 4 6 不同叶片数数值计算方案设计3 6 4 7 不同叶片数数值模拟结果分析3 6 4 7 。l 不同叶片数对轴流泵性能的影响3 6 4 7 2 不同叶片数对导叶出口速度分布的影响3 8 4 7 3 不同叶片数对导叶出口压力分布的影响3 9 4 7 4 不同叶片数对叶片吸力面和压力面分布的影响4 0 孟庆峰：高比转速轴流泵水力优化设计i x 4 7 5 不同叶片数对叶片速度矢量分布的影响4 2 4 8 不同情况的数值模拟的分析总结4 3 参考文献4 3 第5 章导叶的局部优化研究4 4 5 1 导叶结构参数的选择4 4 5 2 轴流泵导叶进口边与叶轮叶片出口边的平行间距s 的数值模拟4 4 5 2 1 模型的建立4 5 5 3 数值计算方案4 5 5 4 数值模拟结果对比分析4 6 5 4 1 间距s 的改变对叶轮流场的影响4 6 5 4 2 间距s 的改变对于泵装置高效区的影响4 6 5 4 3 间距s 的改变对泵段性能的影响4 6 5 5 原因分析4 8 5 6 结论5 3 参考文献5 4 第6 章全文总结与展望5 5 6 1 总结5 5 6 2 展望5 6 致谢5 7 攻读学位期间发表的学术论文5 8 x扬州大学硕士学位论文 孟庆峰：高比转速轴流泵水力优化设计 第1 章绪论 1 1 课题研究目的和意义 轴流泵是一种高比转速的水泵，其特点是出水量大，扬程低，在我国的江河中下游平 原地区，河网地区的农田灌溉与排涝中应用较为广泛。轴流泵也常用于城市给排水，热力 发电厂的冷却循环用水，造船厂船坞的排水以及城市防洪等其他工程【l 】。伴随着我国的工 农业的持续发展和科技进步，我国的泵站工程也有了较大的发展。目前我国拥有大，中， 小型的泵站几十万座，其中轴流泵占了很大的比例，更在南水北调工程中发挥了重要的作 用。正是由于其广泛的使用，未来高性能指标的轴流泵将是今后轴流泵的发展趋势及方向。 目前，有关轴流泵叶轮的设计方法，主要有升力法，圆弧法，和奇点分布法等【2 】。传 统的设计方法一般都是给定设计参数，保证性能指标，然后通过设计计算和模型实验进行 反复的相互修正。从而达到一个较为满意的效果。现在的设计方法已经从传统意义上的图 纸作业，木模加工，过渡到了计算机计算设计，三维软件模拟的新时代。 在轴流泵的设计上，叶片数，叶片的扭曲程度，叶片的加厚状况。叶轮与外壳的间隙 状况，导叶数以及导叶与叶轮的距离等的改变都会对整个泵的效率产生影响。在设计方法 理论彻底改变的难度比较大的情况下，针对泵的局部参数改变，修正，从而得出一些有总 结意义的规律，对于轴流泵设计的性能的提高具有现实意义。本文的目的是通过设计高比 转数轴流泵，深入了解高轴流泵的叶片加厚程度，叶片数，导叶与叶轮的距离这三个因素 对轴流泵效率的影响，从而给出合理的参数选择，从水力优化设计的角度，提高轴流泵的 效率，改善泵的性能。 1 2 轴流泵及导叶的发展及趋势 在国外，因为各国的发展要求，大型轴流泵的发展很迅速。 在荷兰和日本【3 】，由于其自身的地理原因，在城市防洪排涝上要求能够在短时间内处理大 流量排水。其大型轴流泵也因此得到了发展，泵的设计和制造水平都很高。造就了一批效能比 较高的泵。 前苏联生产的轴流泵主要用于调水工程，主要可分为叶片不可调和可调立式轴流泵两种： d = 4 7 0 1 8 5 0 m m ，0 卸6 9 4 1 8 8 8 8m 3 s ，h = 4 2 2 2 m 。上文提到的卧式贯流泵也被广泛的 在前我国从2 0 世纪6 0 年代初开始自行生产轴流泵，当时主要是仿制苏联的水力模型而后进行 生产，主要代表类型是叶轮直径15 4 0 m m 的6 4 z l b 5 0 型泵，2 0 世纪7 0 年代末至8 0 年代初， 我国开始自行研发了一批优秀的轴流泵模型，其所具有的水利性能己与当时先进国家轴流泵模 型性能不相上下【4 j 。 从8 0 年代开始，扬州大学，华中科技大学，中国水利水电科学研究院，上海7 0 8 研究所， 江苏大学等单位，均进行了轴流泵模型的设计和实验研究。研制了多个水力模型。 2 扬州大学硕士学位论文 施卫东，关醒凡等【5 】在对3 0 。斜轴伸泵装置水力模型的设计和实验研究后，研制了多个水 利模型。谢伟东 6 1 也对3 0 。斜轴伸泵装置水力模型的设计和实验进行了研究，施卫东1 7 刮对z m 9 3 1 高比转数低扬程轴流泵水力模型的设计以及z b m 7 5 0 型轴流泵水力模型的设计及试验进行了 研究，谢伟东 9 1 针对南水北调和平原水网地区泵站建设需要大量低扬程轴流泵的要求，介绍了 新开发的一批高性能轴流泵水力模型，刘超等【1 0 】设计了双速双高效点的轴流泵水力模型，关醒 凡掣1 1 】介绍已开发的系列轴流泵水利模型( 比转数= 5 0 0 ，7 0 0 ，1 0 0 0 ，1 2 0 0 ，1 3 5 0 ) 的主要几 个参数，性能及曲线，模型设计概况和推广应用等几个问题，汤方平掣1 2 j 通过采用双向对称翼 型来对轴流泵叶轮进行设计，从而配合平面s 形布置的进出水流道，共同组成双向抽水装置， 关醒凡 1 3 】介绍系列轴流泵的水力模型实验研究的阶段性成果，在扬程4 5 1 0 5 m 区段内，给出 了多个模型的特性曲线供选择。由此可以看出，我国众多的科研人员在轴流泵的设计方法和水 力模型研制方面进行了大量有意义的探索，提出了多种的设计方法，这其中，陈乃禅1 4 】等于1 9 9 4 年在周向均匀，流动无粘性，叶片无厚度的假设下，用涡代替叶片作用，采用c l e b s c h 转换得 到速度表达式，在轴面上给定环量分布的条件下进行叶轮的叶片设计。孙建平【1 5 】等于1 9 9 4 年 采用三维正交曲线坐标系下的动量积分方程预测了轴流泵叶片上三维边界层的发展。张扬军【1 6 】 等于1 9 9 7 年为了有效模拟流体机械内部的粘性流场，根据流动的物理本质，将流体的实际压缩 性引入控制方程，用声速方程代替可压缩流动的能量方程，发展了一种模拟流体机械内部流场 的新方法。王正明0 7 1 1 9 9 8 年发展了一种解析全三维粘性反问题的新述职方法。关醒凡【1 1 等采用 的流线法设计的一系列轴流泵在实际应用中取得了很好的反响，其设计的7 9 1 翼型更是取得了 很多的设计者的认同。近几年，汤方平【1 8 j 通过后导叶回收能量的并对叶轮进行改进的方法在天 津同台试验中取得了很好的效果。宋文武【1 9 】等基于升力法的改进设计的轴流泵在数值模拟和实 际设计中也取得了很多的效果。 伴随着计算机的普及应用和大型工作站的使用，越来越多的使用c a e ( 电脑辅助软件) 对 实际问题先简化造型，然后对其内部流场及流动情况进行模拟，然后根据数据模拟结果分析， 从而对其设计本身进行修改达到优化设计的目的。这将是未来轴流泵设计的发展方向。这其中， c a d ，a n s y s ，f l u e n t ，g a m b i t 等商用软件的使用，更是大大的促进了设计的完整性和 可行性。 对于设计方法的改变除非有重大的基础理论的改变，现在更多的是基于原始的升力法和圆 弧法的完善。从参数的角度看来，叶轮在同一方法下，不同的参数设定值，也可以成为提高轴 流泵设计效率，以及泵本身效率的一种较为实际的方法。叶片厚度，叶片的扭曲度，叶片的加 工，个数，导叶数，导叶的位置安排都可以成为提升泵效率的一种手段。鄢碧鹏 2 0 1 从叶片数对 轴流泵性能的影响进行了研究，朱红耕【2 1 】应用全三维雷诺数时均n a v i e r - s t o k e s 方程和标准湍流 模型数值模拟包括过流部件壁面粗糙度对轴流泵水利性能的影响。朱俊华阎从理论上分析了轴 流泵叶轮片外缘液流角对轴流泵性能的影响，郭自杰采用实验的方式研究了改变叶轮流道宽度 时泵的扬程，效率曲线的变化趋势等。岑美幽】分析说明了叶轮直径对效率的影响。从一个参数 变量的角度，单一考虑其变化对于轴流泵性能和效率的影响。在轴流泵设计参数的选择上，减 孟庆峰：高比转速轴流泵水力优化设计 少经验的成分，通过模拟了解具体参数对轴流泵性能的影响，并通过实验校核，已达到能够在 工程中实际应用的效果。 导叶的设计方法和叶片相思，也分为用升力法、积分法( 圆弧法) 和流线法，但是经常采 用的是流线法。 流线法以叶片数为无穷多的假定作为基础。流体质点相对于留到运动的速度方向，就是叶 片表面的切线方向。也就是说流线与叶片的表面重合。所以，流线法就是通过绘制流线来获得 叶片的表面形状的一种设计方法。本文中的导叶就是采用流线法设计的。 仇宝云、刘超等1 2 4 人分析了大型水泵轴向后导叶叶片出口角对出水流道性能的影响，针对 一定形状的出水流道，证明了存在使得设计流量时水力损失最小的泵出口旋流。华中理工大学 朱俊华【2 5 】研究发现在校核导叶相邻两叶片之间的扩散角时，对导叶数目的选取提出了新的理 解。汤方平等人定量分析了不同比转速轴流泵导叶可回收的最大能量，进而说明了导叶是泵装 置不可缺少的一部分。 1 3 流场数值模拟研究现状 鉴于通过实验手段测量获得轴流泵内流场很困难，以及开展实验研究需要高额投入， 大量研究有赖于数值模拟，且计算机工业的更新速度加快，共同促进了叶轮内流动的数值 模拟技术获得空前的发展。特别是近几十年来，借鉴航空机械的成果，轴流泵内部流动的 数值模拟取得了巨大的进步。 二十世纪八十年代以前是叶轮旋转机械内流无粘数值模拟时期。受计算机技术水平的 制约影响，此阶段的研究大都将轴流泵内部流动简化为二维的不可压缩势流、准三维或全 三维的势流，通过求解流函数、势函数来分析叶轮内部流动，即所谓无粘性流动数值模拟。 但是，这种方法求解内流场和实际的粘性流场相比具有较大的简化和近似，不利于分析与 粘性息息相关的能量耗散和漩涡运动等相关问题。 在二十世纪八十年代，轴流泵叶轮内流场的数值模拟有了新的发展，随着计算机性能的提 高以及叶轮机械研究的整体深入，数值模拟叶轮机械内部流动有了突飞猛进的发展，计算流体 力学( c f d ) 方法逐渐成为求解叶轮机械内部复杂流动的工具，不仅缩减科学研究的时间，更 提高了整体模拟分析的效率。 国内的轴流泵流场的数值模拟分析正处在一个兴起阶段。汤方平等研究了后置导叶对 轴流泵的总特性和流场的影响，经过试验验证，其数值模拟的性能曲线十分吻合。杨昌明 等研究了轴流泵叶轮室间隙的流动现象及粘性流动对间隙区域流场的影响，结果表明了其 对轴流泵的水力性能有直接的影响。徐朝辉等人应用c f d 模拟方法对高速泵内流场进行了 模拟分析研究，计算了三维非定常动静干扰流动，得到了泵段的内流场。叶方明等采用了 k 一占湍流模型和s i m p l e c 算法对流场进行了数值模拟，研究了带有后置导叶的喷水推进 轴流泵的三维流场，分析数值模拟的结果表明，设计的目标基本达到了。伴随着计算软件 的高速发展，数值模拟在轴流泵的设计和优化中会起着越来越重要的作用。 4 扬州大学硕士学位论文 1 4 主要研究工作 本文采用c f d 计算软件c f x1 2 0 ，对不同厚度的三组叶片，两组不同叶片数的叶片， 不同导叶进口边与叶轮叶片出口边的平行距离的三种情况进行了数值模拟，旨在得到高比 转速轴流泵的内流场分布情况以及不同情况下对于轴流泵的外特性影响，找出有关高比转 数轴流泵内部内部流动以及对其性能的影响规律，该项课题研究中所做的主要工作： 1 、对轴流泵进行精确的全流道三维实体造型和结构化网格划分，为全流道内部流动 三维湍流定常和非定常数值模拟计算奠定可靠的基础。 2 、采用雷诺时均n a v i e r - s t o c k e s 方程和标准k s 湍流模型对不同情况下轴流泵在不同 流量工况进行定常数值模拟。 3 、通过对比，分析了三副不同叶片厚度的叶轮对轴流泵外特性的影响，对叶轮横截 面速度分布的影响，对装置内部流态的影响，对导叶出口速度分布的影响等；两种不同叶 片数的叶轮对轴流泵的外特性的影响，对出口处的速度和压力分布影响；三种不同导叶出 口与叶片平行间距对轴流泵外特性的影响，对出口处的速度和压力分布影响。 4 、从上述分析中，归纳总结出对高比转数轴流泵的优化改进方案。 参考文献 1 】关醒凡现代泵技术手册( 第一版) m 】北京：宇航出版社，1 9 9 5 2 】严登丰泵站工程 m 】北京：中国水利电力出版社，2 0 0 5 3 】冯汉民水泵学 m 】江苏农学院，水利电力出版社， 1 9 9 1 3 4 关醒凡现代泵理论与设计 m 】北京：中国宇航出版社，2 0 1 1 【5 】施卫东，关醒凡3 0 0 斜轴泵装置的试验研究【j 】中国农村水利水电，1 9 9 7 ( 3 ) ：2 8 。3 0 6 】谢伟东3 0 0 斜轴泵站水力机械设计体会阴水利科技，1 9 9 8 ( 7 ) ：3 6 3 9 【7 施卫东z m 9 3 1 高比转速轴流泵水力模型的设计 j 】农业机械学报，1 9 9 8 ，2 9 ( 2 ) ：4 8 5 0 【8 】施卫东，关醒凡z b m 7 5 0 型轴流泵水力模型的研究 j 】农业机械学报，1 9 9 9 ，3 0 ( 4 ) ：1 7 。2 2 9 谢伟东，汤方平等南水北调东线工程用泵水力模型设计与选型阴水泵技术，2 0 0 2 ( 2 ) ：1 4 【1 0 】刘超，袁家博等双速双高效点轴流泵模型试验及应用田中国给水排水，2 0 0 1 ，1 2 ( 1 7 ) ：5 0 5 3 1 1 关醒凡，袁寿其等系列轴流泵模型研究有关问题叨技术与应用，2 0 0 3 ，1 1 ：6 4 6 6 【1 2 汤方平，刘超等平面s 形流道双向周六泵装置水力模型研究【j 】农业机械学报，2 0 0 3 ，3 4 ( 6 ) ： 5 0 5 3 1 3 】关醒凡轴流泵和斜流泵水力模型设计试验及工程应用 d 】北京，中国宇航出版社，2 0 0 9 【1 4 】陈乃祥，叶失海等一种用涡代替叶片作用的反问题计算 j 】工程热物理学报，1 9 9 4 ，1 5 ( 1 ) ：4 2 - 4 5 【1 5 】孙建平，张克危等轴流泵叶片三维边界层计算 j 】华中理工大学学报，1 9 9 4 ，2 2 ( 1 0 ) ：5 1 5 3 1 6 】张扬军，陈乃祥等流体机械粘性流场的数值模拟方法【j 】清华大学学报，1 9 9 7 ，3 7 ( 3 ) ：9 5 9 7 1 7 】王正明，蔡睿贤等叶栅全三维粘性反问题的数值解阴工程热物理学报，1 9 9 8 ，1 9 ( 5 ) ：5 7 1 5 7 5 1 8 】汤方平，周济人等轴流泵后导叶回收能量分析 j 】水泵技术1 9 9 5 ( 3 ) ：1 9 2 1 孟庆峰：高比转速轴流泵水力优化设计 5 二二一 f 1 9 1 宋文武，符杰等轴流式叶片的改进升力法设计与研究 j 】大电机技术2 0 0 9 ( 5 ) ：3 8 4 2 f 2 0 】鄢碧鹏叶片数变化对轴流泵性能影响的研究阴扬州大学学报，1 9 9 81 ( 3 ) ：5 3 5 5 2 1 】朱红耕，袁寿其等进水流道对立式混流泵泵装置能量特性的影响【j 】江苏大学学报，2 0 0 72 8 ( 1 ) ： 4 6 5 0 2 2 1 朱俊华，赵锦屏轴流式泵设计中环量分布规律的分析【j 】华中工学院学报，1 9 8 2 l o ( 2 ) ：9 3 1 0 0 2 3 】岑美，李龙等轴流泵内部流动的压力及性能研究【j 】水泵技术，2 0 0 7 ( 1 ) ：2 9 - 3 1 ，4 2 f 2 4 】仇宝云，袁伟生，刘超等轴流泵出口能量分布特性与测定 j 】农业机械学报，1 9 9 4 ，2 5 ( 4 ) ：4 4 - 4 8 2 5 1 朱俊华合理选择轴流泵的导叶数【j 】水泵技术，1 9 9 6 ( 6 ) ：4 - 7 6 扬州大学硕士学位论文 第2 章轴流泵内流场三维湍流数值模拟方法 计算流体力学( c f d ) 技术在轴流泵的内部流动分析中有着重要的作用，通过轴流泵的数 值模拟可以方便地捕捉到轴流泵内流场的一些流动参数分布规律。本章简要阐述下c f d 的发展 及简介，着重阐述轴流泵三维湍流数值模拟所涉及的控制方程、湍流模型、控制体积法、数值 计算方法、动静交界面处理、壁面函数法等原理，最后简要介绍下本文采用的计算软件a n s y s c 。 2 1c f d 的发展与简介 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l e dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是通过计算机数值计算和 图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析【1 1 。c f d 的基本 思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用 一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离 散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值【。c f d 可以看做是在流动的三大基本方程( 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。通过数值模拟，我们可以得到所求问题的流场内不同位置上的基本 物理量( 如压力、温度、速度、浓度等) 的分布，还可以得到这些物理量在随时间和空间 的变化趋势，便于确定旋涡分布、气蚀特性及脱流区域等。还可据此计算出相关的其他物 理量，如扬程，效率，损失等。 c f d 的优点是适应性强、应用面广。不仅仅在研究领域作为工具使用，还可以作为设 计优化手段在环境工程、水利工程、建筑环境、制造业、机械工程等领域发挥作用。最近 十多年，c f d 的发展迅猛，原来一些在经典流体力学中