毕业设计（论文）-离心泵发展及研究.doc

离心泵发展及研究摘 要离心泵是一种通用水力机械，其内部流动情况一直是泵设计人员十分关注的问题，因为泵内流动的优劣直接影响泵的性能。离心泵叶轮的内部流动是很复杂均三维紊流流动，同时由于受旋转和叶片表面曲率的影响还拌有脱流、回流及二次流的现象，是流体工程中较难的试验研究和数值计算问题之一。早在20世纪5O年代，一些专家学者就开始尝试使用数值计算方法来预测叶轮中的流动情况。但具有完备形态的内流数值模拟，一般认为始于吴仲华教授的S1、S2两类相对流面理论后，叶轮机械内流数值模拟才得到了迅速发展。迄今为止，国内许多学者已经对离心泵叶轮内部三维紊流数值模拟进行了研究，也取得了一些成果，但并不理想，也缺少实验验证。近年来得益于计算机技术的高速发展，计算流体力学CFD (Computational Fluid Dynamics)发展很快，许多商用CFD软件应用非常广泛，在离心泵内部流场数值模拟上的应用也日见增多。通过CFD方法对离心泵叶轮内部流动进行数值模拟，了解液流在叶轮过流部件中的速度和压力分布，从而进行叶片的选型、设计和性能预测已成为现代泵技术的重要方法之一。关键词：离心泵；叶轮；数值模拟目 录第1章 绪 论11.1 离心泵的发展和应用现状21.2 本文的工作4第2章 离心泵原理及设计方法52.1 离心泵及其工作原理52.2 离心泵设计方法概述122.3 离心泵的部件及工作参数16第3章 离心泵内部流场的研究方法203.1. 紊流理论概述203.2 无粘性流动数值模拟213.3 分区考虑粘性效应的数值模拟213.4 三维粘性数流动值模拟22第4章 目前的研究成果264.1 目前的一些研究264.2 几种常见离心泵的应用28第5章研究的发展趋势315.1 紊流模型的研究315.2 泵优化设计发展趋势315.3 发展网络生成技术335.4 矢量化及并行算法34致 谢35参考文献36 I第1章 绪 论在石油天然气的储存和运输工程中，广泛地使用各种管输流体机械，用来增加流体的能量，克服流动阻力，达到沿管路输送的目的。离心泵是一种应用范围十分广泛的通用水力机械，它广泛的应用于给水排水及农业工程、工业工程、航空航天和航海工程、能源工程、车辆工程等等。而且随着现代科学技术的飞速发展其应用范围正在迅速的扩大。随着应用范围的扩大，工作环境也越来越复杂，现代工程技术对泵的性能要求越来越高，传统的基于经验和模型试验相结合的设计方法很难达到这样的设计要求。传统设计方法的一般过程为:设计一样机性能试验检测一制造，这样样品试制和性能检测要经过多次，整个设计也要经过多次重复，显然，传统设计方法的缺点是设计周期长，设计成本高。产品的开发周期长和设计成本高成为离心泵新品开发难以逾越的瓶颈。因此，需要探索新的离心泵设计方法。在传统的泵的研制过程中，一个成功的水力设计模型往往要经过多次反复性能试验模型修改才能完成，随着计算流体动力学在其它行业的成功运用，现在完全有可能采用计算流体动力学(CFD)仿真分析方法来代替性能实验，在计算机上完成初步三维造型设计之后，就可进行流场的校核并预测泵性能，从而缩短产品开发周期和降低成本。此外，据全国流体机械及工程国际学术会议上报告:泵是一种应用广泛、耗能大的通用流体机械，我国每年各种泵的耗电量大约占全国总耗电量的20%,耗油量大约占全国总耗油量的50%。离心泵是各种泵中使用范围最广泛的，而一般的离心泵的整机效率只有50 %一60%，我国离心泵的运行效率平均比国外低10%-30%，节电潜力约为300-400亿千瓦时，因此提高泵的性能和效率，将心水泵效率由三部分组成:机械效率、容积效率和水力效率，主要是水力效率比较低，要想提高水力效率，那么离心泵内部流动的精确计算和性能预测是十分重要的。因此急需开展这方面的研究工作。充分利用飞速发展的CFD技术来预测离心泵的性能，查明影响离心泵性能的因素，研究一种新的离心泵设计方法，进一步提高泵的效率，从而从整体上提高它的性价比。1.1 离心泵的发展和应用现状1.1.1 国内离心泵的发展我国的离心泵是由50年代仿苏产品开始的，当时仅生产K型单级单吸悬臂式离心清水泵和凸型单级双吸两端支承式离心清水泵，主要用于农田排灌。继而沈阳水泵厂又生产一些仿苏石油化工用泵，如DJ . FDJ .，SJ , FSJ，DR ,FDR .SR , FSR型油泵以及FL , BN型耐酸泵等。60年代，我国自行设计研制成系列，生产国内自己的离心泵;清水泵方面由K型改成B型，凸型改成SH型等;石油化工方面由DJ、SJ、FSJ.型改为Y型，FL、BN型改为F型;锅炉给水泵方面还生产DH型等，满足国内绝大部分装置的要求。60年代末至70年代，国内生产油泵、耐腐蚀泵不仅是沈阳水泵厂一家，生产Y型油泵扩大到上海水泵厂、长沙水泵厂、长春水泵厂、石家庄水泵厂、北京水泵厂、宝鸡水泵厂等。生产F型耐腐蚀泵的还有大连耐酸泵厂、上海水泵厂、广州重型机器厂、广东佛山水泵厂、天津耐酸泵厂等。80年代，我国相继引进了国外许可证先进技术，既有石油化工用泵，也有清水泵，也有锅炉给水泵，还有泵用机械密封。通过引起技术的消化吸收，80年代末一90年代初，沈阳水泵厂利用国外先进技术改造了原Y型油泵为AY型油泵。沈阳水泵研究所组织重新设计了IH型替代F型耐腐蚀泵，沈阳水泵厂又重新设计了AF型泵准备替代IH型化工泵，从可靠性和效率等方面均优于IH型泵。通过移植、设计、试制及生产了国产加氢进料泵、焦化进料泵及除焦、除鳞等大型泵，到目前为止，国内所生产的离心泵是型式多样、品种齐全、门类繁多，遍及到从民用到国防，从农业到工业乃至核工业，从山区到平原，从水上到陆地，乃至天空，无处不有。总之，国内目前可为l00万kW火力发电机组，500万t/a炼厂、2000万t/a输油管线，30万t/a合成氨、200万t/a加氢、100万t/a延迟焦化等装置提供国内的泵类产品。国内已生产的离心泵的最大流量大于20000mj/h，最高扬程2800m，最高输送温度400，最大驱动功率1 0000kW，最高吸入压力达17.SMPa 。离心泵是量大面广的产品，进入市场经济后，国内几个大泵厂家都在积极开发自己的泵系列，尽量去满足市场的需要。沈阳水泵厂是国内最大的泵类专业厂，已被国务院批准为重大技术装备国产化基地，也被国家经贸委批准为机电产品出口基地企业和电站装备国产化基地企业，属于综合性的泵厂家，代表了国内泵技术水平。生产的泵类产品，不仅结构型式多，而且品种规格也齐全。国内不少高精技术泵产品均由沈阳水泵厂制造，如军工用泵、核电用泵、大型锅炉给水泵、焦化进料泵、除焦泵、高速切线泵等。为了满足需要，泵的结构型式、品种和产量都在不断增加，质量和可靠性也都在不断提高，泵厂数量和规模也在逐渐扩大，使用范围也日益广泛。从泵的类型来看，目前离心泵的基本结构己发展得比较完善，当前设计方面更多地趋向于设计生产具体工况条件下的专用泵，即所谓工程专用泵。总之，当前国内离心泵的技术水平通过几十年的发展以及许可证技术引进，从综合技术水平来看，单两级泵方面都具有国际先进水平，与国外同类型泵相比无差距，有些地方还是国际一流水平，如可靠性、效率、通用化程度等。而高温高压多级泵在结构型式、可靠性方面已达到国际同类型水平，国内起步较晚，引进技术，消化吸收，从89年、90年开始生产高技术水平泵，逐步开发完善，并替代进口。与国外差距在于管理落后，导致:(1)交货不及时;(2)铸件表面质量和内在质量不够理想。建国儿十年的发展，我国离心泵开始是生产仿苏产品，接着为自行设计一水泵行业联合设计、生产国内自己的产品，后来到引进国外先进许可证技术，直到各个厂家自行开发高水平的泵或者是合资这儿个阶段。泵产品结构型式、系列、品种规格均由少到多，性能及使用范围不断扩大，技术水平由低到高，各个厂家发展各自具有特色的泵类产品:沈阳水泵厂主要有电站(包括核电站)和石化用泵两大部分:大连耐酸泵厂只要以化工用泵为主;上海水泵厂主要是电站和石化用泵两大部分，部分是清水泵:北京水泵厂主要是石化方面为主;石家庄水泵厂是以杂质泵为主;长沙水泵厂主要以大型清水泵和石化泵为主;其他一些厂各有特色。总之，国内的离心泵是逐年在发展，厂家在增加，品种数量也在增加，工业总产值也在增长，下面列出中国泵业协会所编年鉴统计儿组数字足以证明这点，从泵行业协会165个大小成员厂的初步统计:单级单吸清水泵91年265723台，94年是291943台，96年是439708台;油泵91年8789台，94年是9580台;耐腐蚀泵91年16113台，94年18534台。93年工业总产值完成374200万元，比92年增长17.7%. 94年工业总产值完成391540万元，比93年增长7.4%95年工业总产值411034万元，比94年增长11.5%年工业总产值完成463829，比95年增长8.6% 。1.1.2 发展现状 (1)我国泵产品图样的来源可联合设计、引进、自行开发等几种 (2)关键泵产品从部分进口到现在基本全部国化由于引进产品和KSG著名企业的进入，我国泵的生产能力显著提高。国民经济部门的主要关键用泵基本上都可以生产。(3)以CAD为主的新技术广泛应用(4)无堵塞泵和低比转速泵技术取得进展1)我国自行总结出的无堵塞泵设计方法，基本达到实用程度，国内广泛使用设计方法主要包括沿流道中线断面变化规律设计双流道叶轮方格网保角变换方法设计螺旋离心式叶轮;根据叶轮外径、蜗室最大外径和喉部面积二要素设计旋流式叶轮。2)低比转速泵理论和设计的研究广泛而深入无过载设计方法得到推广应用，采用长短叶片和短叶片偏置取得良好效果。 (5) 轴流泵模型达到国外同类模型的先进水平2004年9月25日至2005年1月16日，全国27个模型，参加了水利部南水北调工程水泵模型天津同台测试。本次试验领导有力、组织严密、监督公正、数据准确。模型比转速5007500基本复盖了轴流泵的使用范围;和原模型相比，效率提高约2%流量提高约5%有7个模型的角度平均效率超过85%已达到国外同类模型的先进水平。国家南水北调等重要工程的低扬程水泵，大部分将从这此模型中选用。1.2 本文的工作离心泵叶轮的内部流动很复杂，一般说来是三维的紊流流动，由于受叶轮旋转和表面曲率的影响还伴有脱流、回流及二次流现象，是流体工程中较难的试验研究和数值计算的问题之一。早在20 世纪50 年代，一些专家学者就开始尝试采用数值计算的方法来预测叶轮中的流动情况。近年来得益于计算机技术的高速发展，计算流体力学CFD ( Computational Fluid Dynamics ）发展很快，在离心泵内流数值模拟上的应用也日见繁多。用CFD 方法研究各种离心泵叶轮的内流特点，从而进行叶轮的选型和设计已成为现代水泵技术的重要方法之一。本文调研文献资料，结合计算机技术的发展，论述离心泵叶轮内部流动数值模拟研究的历史和现状，对用于离心泵叶轮内流的数值模拟方法进行详细的介绍；在总结前人所做工作的基础上，提出了离心泵内流计算的发展趋势。第2章 离心泵原理及设计方法2.1 离心泵及其工作原理2.1.1 离心泵离心泵由于具有设计简单，安装、维护成本较低 ,操作弹性范围较大等特点，而被广泛的应用于过程工业中。这种类型泵的尺寸范围很广容量从几加仑到100，000加仑而且输送压头（压力）从几英尺到几千英尺。基本上，一个离心泵有一个叶轮,叶轮是由一系列不同曲率的径向叶片和一个圆形外壳构成。图 1-1 举例说明其工作原理。图1-1从吸入管路(1)进来的液体，沿着轴线方向在旋转叶轮(2)的作用下进入泵室（3）并且在离心力的作用下将液体向叶轮(4)外甩。高速转动叶轮使液体获得了动能。泵的吸入口处和排出口处之间的压力差是由进入泵内的液体的动能转化成机械能所引起的。压力降低发生在叶轮的入口处，而且液体通过一个供给箱被不断的灌入泵内。如果不用液体填充泵室，叶轮将不能够生产一个提升液体到吸入线高度所必须的压力差。大多数的离心泵不是自动注水，并且因此不能够疏散来自吸入线的蒸汽，以便使液体能够在没有外力的作用下流入泵壳。离心泵上的动叶轮是针对高效率的抽吸而被设计的，并不是在蒸汽压缩机中所需要的在较高速度操做所需要的叶轮。对于蒸汽和液体来说泵轮传送的不等压头是相同的。然而实际上，相等的压力差下蒸汽蒸汽上升的高度比较低。启动离心泵时,吸入线和泵壳内一定要充满液体。当吸入源在正压力的作用下或者被放置在泵上方时,启动离心泵是通过打吸气阀以排出泵壳内或排出管道内的气体来完成的。然后液体取代排出的蒸汽进入吸入线和泵壳内。离心泵在化学工业中被广泛应用。离心泵的设计包括设计一个安装在可调整的轴上的，用来处理清液、悬浮液以及乳浊液的开放式的叶轮系统。处理清液或固体颗粒较少的流体时，叶轮也可以是闭合的。 这个特殊的设计采用了一个双涡形的叶轮。所有的泵的涡形的设计是取当叶轮轴和轴承上产生的径向推力，在泵的操作曲线上达到最大效率工作点时的弯曲形状。结果,在泵的结构上需要一个最小的径向推力。然而，当一个泵没有在最好的工作效率点下操作时,泵壳的设计不再能平衡水力的负载和增大的径向推力。一个双涡形的液体裂解槽使进入涡壳的液体,沿着两个独立的路径流动。流量裂解槽的等高线与涡壳的等高线成是相反方向的，成180o。两者与叶轮的中心矩近似相等; 因此,作用在叶轮上的径向载荷被平衡掉了并且大大降低了。大多数的化学用泵都是用高成本的合金铸造而成。泵壳常常是用托架支持或被地脚螺栓支持，并非中心线支持。化工用泵适用于广泛的操作范围，但大多数化工用泵常限于低流速范围内使用。许多离心泵是说有单缸式的，也就是说在排出压力和大气压力之间的液体只由一个涡室隔开。双缸式的离心泵套被用于水平的，多级的，和高压泵以及立式泵，前者是厚壁圆筒壳体内装有一组多级涡轮导流盘。装有一组多级涡轮导流盘的圆筒壳体，用于开放式叶轮的泵中。这种类型的泵通常被作为补给泵在锅炉中应用。泵壳可以安装在和轴在同一平面(被称为轴向分离的)或与轴所在平面垂直的平面上(被称为径向分离)。轴向分离的卧式泵常常被称为 水平分离 。径向分离的卧式泵普遍被称为 径向分离。为达到机械平衡，允许转子和轴承组件在水平方向上移动。 这一配置的泵常用于高压的多级压缩泵上，因为所受的高的轴向力和压力，被分为二等份从而降低了径向载荷。单级涡轮的悬挂取决于叶轮的装配/ 支撑装置。这种设计的涡室在中心线被支持。二个轴承被紧密地装在一个轴承托架中,叶轮被作成成悬臂式或外悬式。通常地，利用这一结构类型的泵在吸入和排出液体，使法兰产生疲劳而断裂的截面，一般都在叶轮或涡壳的前后端面；单吸入式封闭叶轮；并且用单个填料函进行机械密封。这些泵适用于在高温下操作而且能处理易燃的液体。一个双级外悬泵是单级泵的改进，能够得到较高的压头。通常填函处的压力约为在吸入处与排放出压力差的一半。通常情况下多级离心泵能比单级泵获得较高的冒口(压力) 。这些泵可用来压力高达3,000 磅/平方英寸，容量超过 3,000 加仑每分钟。2.1.2 离心泵的工作原理能量、压头和离心泵处理能力的基本方程式，是工作在理想状态下的泵，遵循流体动力学的基本原理得出的。由于实际生产中泵的运转与理想中不同，实际生产使用的泵被进行实验式标准的修正而达到理想的设计情形。图1-2如上图所示 液体在离心泵内是如何流动的。液体在吸入管接口的轴向进入,在图中a处。在叶轮的旋转作用下眼,液体成放射状向外飞溅，进入在轮叶之间的沟槽在位置1处。液体在叶轮中流动，通过叶轮的边缘2流出，液体在涡室内被收集,并且在b位置处由排液管排出泵外。泵的性能分析常被认为是把总的路径分为中的三个独立的部分来考虑：首先,截面a和截面1之间；其次, 液体穿过叶轮的截面1和截面2的区间；第三,液体流过涡室的截面2与截面b之间。泵的核心是叶轮 流体机械理论流动路径的第二个断面要首先被考虑。如图1-3所示的是一个单一片,在一个叶轮中众多叶片中的一个。分别地在叶轮的入口处1和出口处2表现出各种不同的速度。在2位置处首先考虑矢量。由于泵的设计被描绘出的叶轮的终端与它的切线方向所成的角度为。速度是一个以叶轮为观测点所见到的点2处的流体的流动速度,因此是一个相对速度。二个理想化的模型现在被接受。首先假定流过动叶轮的外围所有的液体流的流动速度相同，因此，在各个方向上的( 但是不是矢量方向)速度的数值都是；其次，假定矢量速度和切线之间夹角是实际的轮叶角。这一假定可等价认为，是在一个无限小的距离内,有无限多个零厚度的叶片。这一理想的状态被称为理想导向。叶片尖端点2处的液体以相对于轴的圆周速度移动。速度是以地面为观测点的叶轮的合速度。被称为流体的绝对速度，是由矢量速度和周向速度根据平行四边形法则得出的矢量和。合速度与之间夹角用来表示。一组可比较的矢量在轮叶的入口1处被画出,如图1-3所示。在平常的设计中，接近于90o,并且速度可近似认为是径向速度。图 1-3 图1-3b是点2处的速度的矢量图，更有效的表示在各种不同的速度之间的关系。也表示了绝对速度矢量如何能被分解为两部分，轴向的和沿着圆周方向的。泵的输入功率，也就是泵所必须的动力,可以由定态流动的液体的从角动量公式计算得出。为了与图1-3达到一致，反应式变形为 （1）动量修正因数是为达到理想状态而做的修订。 同时, 在径向流量中,在， Vu = 0处。因此，在入口处公式（1）被削弱，得到公式（2）当时,对于一个理想泵的能量公式为（3）公式下方的r表示在有摩擦的情况下，泵的能量守恒公式。1. 理想泵的压头流量关系由公式（3）可知，理想状态下的泵， ,并且因此（4）当，时（5）由图1-3b可知, 并且（6）进入泵内的容积流量被给出（7）是沟留外围的总的横断面积。综合公式（6）和公式（7）给出（8）由于 , ，和都是常量，公式（8）给出了压头与容积流量是成线性关系。压头- 流量的关系线与tan2有关并且随角的改变而改变.如果小于90o,或接近90o,关系线降有一个负斜度.如果关系线是水平的或有一个正斜度，管子里的系统流量可能变成不稳定。 2. 通过一个理想的泵压头-工况关系单位时间内通过泵的流体的质量是（9） 截面1-1，2-2间应用伯努利方程, 假定没有磨擦,忽略,认为在理想状态下，给出公式 （10）分别列出，a-a截面,1-1截面和b-b截面与2-2截面的伯努利方程（11）（12）将公式（10）、（11）、（12）相加得到 （13）公式（13）可以变形为（14）当, ,并且时。当泵的圆周速度改变时候，会发生一个实际的问题，被告知对压头有影响，并降低容量和泵的功率。当转速增加时,叶片端速也相应的提高；在一个理想的泵中速度 V2, 和也直接地随着的提到而变大。因此容量因而改变 ，压头H 因而改变，功率因而改变,当 因此因而改变。3离心泵的实际性能 实际运转的泵的压头要小于从公式（14）得出的理想的泵的压头。效率也比理想的泵的效率低，并且液体的流动性要比理想状态下的泵的马力高。压头损失和功率降低将会被分开讨论。4压头损失；循环流动 在一个理想的泵的理论循环流动中有一个一基本的假设，因此，速度和之间的角等于轮叶角。这一理想状态在实际的泵中并不存在，液体流动实际流动中离开叶轮的角度小于个角,实际的原因是在一个给定的横断面中的速度与均衡速度差很多。效应的结果是循环流动的液体在叶轮的流道内成阶层流动。由于循环流动，合速度比理论值要小。图1-4给出了速度的矢量图。给出了循环流动下如何修正理论上的速度和夹角。全液线和灌泵所需的容积量，适用于理论上的泵在实际工作中所需的液量。泵的速度, 因此u2,和流经泵内流体的速度,在两种状态下是相同的。很明显角和的切线速度都在减小。由公式(14)可知,然后，入口处的压头也减少。图1-45弯曲特性；压头-容量关系 实际抽水高度，总耗能和效率和测定体积的流率等叫做泵的特性曲线特性。如此的性能曲线在图1-5中被简要举例。图 1-5 在图1-5a中一个理论上的压头-流率( 时常叫做 压头-容量) 关系是一个直线,符合公式(14);实际的压头比较小，而且当流率增加到某一特定的值时，压头会较快的降低到零。这即是零-压头的流量率；是泵在任何的情况下可以传送最大的流量。额定的或操作状态下流量率,当然,要少于这个最适宜的流量。在理论上的和实际的曲线之间的差别主要在液体的循环流动下产生。其它的引起压头损失的因素是在通道中流体摩擦和泵的沟流现象,和来自叶轮夹套周围的液体因流动方向突然变化而产生的损失。 磨擦力最高发生在最大流量率的时候；在泵的额定工况下冲击损失最小，并且当流量增加或流速降低时摩擦损失变大。6功率曲线 典型的液体流动功率和总功率的典型曲线如图1-5b所示。在理想的和实际的运转之间的差别表现为在泵中被损失的能量；它起因于流体摩擦和陡降的损失，两者都是将机械能转变成热能 ,由于泄漏损失，圆板磨擦和轴承损失。对于叶轮排放量来说，泄漏量是不可避免的,穿过磨损环的吸入口；这减少来自泵的单位功率的实际排放容积。外轮磨擦是叶轮夹套与液体之间的摩擦以及和叶轮内部与液体之间的磨擦。通过轴承上的填料函的机械密封，来克服轴承和填料函或泵之间的磨擦力。7效率 泵的效率是液压能与输入泵的功率的比值。表示,当以低流率流动时效率快速地上升,在额定容量内达到一个最大值 ,当流量率接近零时，效率突然下降。多级离心泵在一个单叶轮中可实际发生的最大压头，受夹套外流体可能达到的速度限制。当需要的压头超过70或100英尺(20或30m)的时候,二个或较多叶轮被安装在在一个轴承上，一个多级泵因此而获得。来自第一级泵的排放量作为吸入量供给第二级泵,第二级泵的排放量作为第三级泵的吸入量,等等。所有级的降低的压头的总和比一个单级泵要高出好多倍。8泵的能量关系式 了被一个离心泵的理论上的压头取决于叶轮速度，叶轮的半径 ,和离开叶轮的流体的速度。如果这些因素是常量,被提高的压头对所有密度的流体是相同的，并且对液体和气体也是相同的。压力的增加,然而,是与产生的压头和流体的密度有关。如果一个泵的压头达到100英尺,而且如果泵充满水,增加的压力是。如果泵内充满空气时,压力增大大约是。一个尝试在空气中操作的离心泵,既不能使液体在一个最初吸入线上工作，也不能强迫液体沿着一个完全排放线工作。泵内万一有空气就会产生气蚀，而且泵被空气堵塞什么也不完成，直到空气已经被液体代替。空气能够被转移，通过一个连接在吸入线上的辅助泵的灌泵，或者通过向泵内灌入流体使泵处于真空。同时,一些有自动注水装置的类型的泵，也被广泛的使用。2.2 离心泵设计方法概述2.2.1离心泵设计的要求离心泵设计的主要目标是根据给定的设计参数(流量、扬程、转速、汽蚀余量和效率等)，经过多种方案的选择，使所设计的叶轮和泵体蜗壳具有最小的水力损失和必要的汽蚀性能，并使泵的外特性符合预先给定的要求。水力设计要解决三个方面的问题:（1）过流部件的主要参数，以及部件各部分的最佳比例;（2）流型设计，选定在水力设计过程中所选定的过流部件的流动规律。例如蜗壳周向速度的分布，叶轮前后流动环量的分布及轴面速度的分布。这些分布均为设计前的假定;（3）叶轮叶片及流道的型线设计，提供过流部件的加工木模图。离心泵在水力设计过程中应尽量达到:（1）保证达到设计参数的要求，即流量和扬程等的要求:（2）使离心泵有良好的能量性能，即有较高的水力效率，且高效率区尽量宽:（3）有良好的空化和空蚀性能，减少空化引起的效率下降;（4）有良好的稳定性，压力脉动和噪声值均较低;（5）尽可能小的尺寸，以降低造价;（6）满足一些特殊运行条件要求，例如深井，潜水和高含沙水流等特殊要求;（7）满足制造的安装等工艺的要求。泵的设计计算方法可以分为两个阶段，传统的经验设计和模型试验相结合并不断完善的阶段和现在飞速发展的基于CAD/CFD的优化设计阶段。下面分别介绍传统的设计方法和基于CAD/CFD的优化设计方法。2.2.2传统的简化设计方法传统的离心泵的水力设计方法主要有:1相似换算法(模型换算法)相似换算法在相似理论的基础上，需要具有模型数据，通过模型进行相似换算得到实型泵的参数，并在此基础上根据经验对主要几何参数进行适当修正以提高性能。此方法的可靠性高，通常不需要进行模型实验，而且工作量小，所以在工程实践中被广泛采用，但受己有模型限制。也不能指望利用这种方法提高现有产品的水平。2速度系数法也是根据相似原理的一种设计方法，以一系列相似泵为基础绘制的速度系数图是设计的依据，主要的速度系数图有Stepanoff速度图或在此基础上改进的速度图。此方法也受已有模型和速度系数的限制。因此和相似换算法一样具有适用范围的局限性。例如对于较低比转速或超低比转速离心泵没有好的方法解决设计问题。3面积比原理法面积比原理是由Anderson提出的，他指出叶轮出口过流面积与涡壳喉部面的比值Y是泵的扬程、流量、轴功率等特性的主要决定因素，从而根据设计资料给出扬程系数、流量系数和比转速与面积比Y的关系曲线。面积比原理方法把叶轮和蜗壳两大水力部件联系在一起，用对面积比绘制的扬程系数和流量系数的形式对标准化的设计数据进行修正。4加大流量设计法为了解决一般比转速的速度系数不适用于低比转速离心泵设计的问题，提出了加大流量法，这种方法在大量实验的基础上，对现有的有关速度系数进行修正，然后利用修正过的速度系数，综合各种因素，设计较为合理的几何参数特性。5自由旋涡理论Worster根据流出叶轮的流体符合自由旋涡的理论，成功的提出了决定泵性能的叶轮和涡壳之间的数学关系。这种方法和面积比原理一样，表示了叶轮和涡壳的主要几何参数对泵的性能的影响。6优化设计方法：1)实验优化设计通过科学的实验设计在减小实验次数的条件下研究主要几何参数对泵性能的影响，从而获得优秀的水力模型。国内外广泛应用的是正交实验设计技术。2)速度系数法优化设计通过对己有的水力模型和速度系数进行修正和优化，从而建立优秀的水力模型库并随时吸收新的模型，及时优化各种系数。3)损失极值法损失极值法的基本思想是以效率为目标函数，建立各种损失与离心泵各部件几何参数之间的关系，即: 总损失为：这种方法在保证设计点要求的扬程与流量的条件下，通过的不同组合使得总损失最小。这种方法虽然有严格的数学基础，但是很难精确计算各种损失值，损失值的计算都以经验公式为依据。2.2.3现代基于CAD/CFD的优化设计传统的基于经验和一元理论的设计方法还要和大量的模型试验相结合，其一般过程是:首先根据一元理论和经验进行初步水力设计，然后进行样机试制，再对样机进行性能试验检测，如果性能不能满足设计要求，那么就修改设计，再重复以上步骤，直到性能满足设计要求为止。在传统的泵的研制过程中，一个成功的水力设计模型往往要经过反复进行样机试制、性能试验和设计修改才能完成，因此缺点是设计周期长，设计成本高。随着计算技术的飞速发展，复杂流动问题的模拟计算也迅速发展，大量的商用CFD软件不断的涌现，并被应用于离心泵内三维流场分析研究，国外研究机构和大型的泵生产企业运用商用CFD软件对泵内流场进行分析，使离心泵三维流场分布及泵内流动情况可视，对泵的性能进行预测，以“数值仿真试验”代替或减少样品泵的试验。总结设计过程如下图：离心泵的水力计算有两个基本类型，同流体力学基本问题一样，分为正问题和反问题。正问题是已知流动的全部几何边界条件和一定的流动边界条件，以求解流道中的流动参数分布，故正问题就是上面所称的流动分析。反问题就是离心泵的水力设计问题，即已知流动参数，给定流动分布或几何参数的变化规律等足以求解反问题的条件，求出全部流动边界，其目的是设计合理的几何边界。水力设计中，为了设计出性能优良的离心泵，基于CFD的设计方法就是正反问题相互迭代的方法，根据初步设计出的离心泵，进行三维湍流计算，根据计算结果，修正某些几何边界，再进行流动计算，采用人机对话，反复迭代，会得出性能优良，即高效率，并满足汽蚀条件及其它要求的离心泵。这种设计方法实际上是对叶片进行空间造型和修型，然后进行三维湍流计算，根据计算得到的流场，判别设计叶片的好坏进行再修型，这样反复进行，最终得到好的叶轮.但是，这种方法在修改叶型时存在一定的盲目性，因为局部叶型的变化将影响整个流场的变化，因此这种方法要求设计人员掌握流动状态与叶型变化的相关性。研究过程表明，可通过一元理论进行初步设计，然后应用三维造型软件和网格生成工具进行几何造型和网格划分，再通过三维粘性数值分析对内部流场进行分析，从而提出优化的方向，并进一步造型和计算，多次循环，直至获得高性能的结果。修改的依据为内部流场的实际情况，而修改方案的制定，是设计者根据流动分析的结果结合自己的经验知识，创造性的做出的，虽然理论上不可能保证得到最优的解，但是实践表明这是一个可行且有效的。几种常见的离心泵：2.3 离心泵的部件及工作参数2.3.1 离心泵的主要部件离心泵的主要部件有：叶轮、轴、吸入室、蜗壳、轴封箱和口环等，有些离心泵还装有导叶，诱导轮和平衡盘等。离心泵的过流部件是吸入室，叶轮和蜗壳，其作用简述如下：1. 吸入室吸入室位于叶轮进口前，其作用是把液体从吸入管引入叶轮，要求液体流过吸入室是流动损失较小，并使液体流入叶轮时速度分布较均匀。2. 叶轮叶轮是离心泵的重要部件，液体就是从叶轮中得到能量的。对叶轮的要求是在流动损失最小的情况下使单位质量的液体获得较高的能头。3. 蜗壳蜗壳位于叶轮出口之后，其作用是把从叶轮内流出来的液体收集起来，并把它按一定的要求送入下级叶轮入口或送入排出管。由于液体流出叶轮时速度很大，为了减小后面管路中的流动损失，故液体在送入排出管以前必须将其速度降低，把速度能变成压力能，这个任务也要由蜗壳（或导叶）来完成。蜗壳在完成上述两项任务时，要求流动损失越小越好。离心泵在启动之前，泵内应灌满液体，此过程称为灌泵。启动后工作时，驱动机通过泵轴带动叶轮旋转，叶轮内的叶片驱使液体一起旋转，因而产生离心力。在离心力的作用下，液体沿叶片流道被甩向叶轮出口，并流经蜗壳送入排出管。液体从叶轮获得能量，使压力能和速度能均增加，并依靠此能量将液体输送到储罐或工作地点。在液体被甩向叶轮出口的同时，叶轮入口中心处就形成了低压，在吸入罐和叶轮中心处的液体之间就产生了压差，吸液罐中的液体在这个压差作用下，便不断地经吸入管路及泵的吸入室进入叶轮中。这样，叶轮在旋转过程中，一面不断地吸入液体，一面有不断地给吸入的液体以一定的能头，将液体排出。离心泵便如此连续不断的工作。当用一个离心叶轮不能使液体获得满足工艺需要的能头时，可用多个叶轮串联（或并联）起来对液体做功。2.2.2离心泵的类型离心泵的类型很多，随使用目的不同，有多种结构。通常按其结构形式，分类如下：1. 按液体吸入叶轮方式（1）单吸式泵 叶轮只有一侧有吸入口，液体从叶轮的一面进入。（2）双吸式泵 叶轮两翼都有吸入口，液体从两面进入叶轮。2.按叶轮级数（1）单级泵 泵体中只有一个叶轮，分为单级单吸悬臂离心泵和单级双吸离心泵。（2）多级泵 同一根泵轴上装有串联的两个以上的叶轮，有分段式多级离心泵。轴上装有412个叶轮，以产生较高能头。蜗壳式多级泵，泵体采用水平中开式或径向剖分。叶轮采用对称布置，可基本平衡轴向力。3.按壳体剖分方式（1）中开式泵 壳体在通过轴中心线的水平面上分开，（2）分段式泵 壳体按与泵轴垂直的平分剖面。4.按泵体形式（1）蜗壳泵 壳体呈螺旋线形状，液体自叶轮甩出后，进入螺旋形的蜗室，再送入排出管内。（2）双蜗壳泵 泵体设计成双蜗室，以平衡泵的径向力。（3）桶式泵 它的泵体为双层泵壳，外泵壳是一个铸造圆桶，两端用端盖封闭，上部设吸入管和排出管。泵运转时，外泵壳承受全部液体压力。内泵壳连同转子一起从外泵壳中抽出。此外，还可以按离心泵所输送介质的不同而分为清水泵、油泵、耐腐蚀泵等。2.3.3离心泵的工作参数离心泵的主要工作参数包括：流量、扬程、功率、转速和汽蚀余量等。1流量流量是指泵在单位时间内输送的液体量，通常用体积流量Q表示，通用的单位是m3/h、m3/s或L/s.也可以用质量流量m表示，其单位为kg/h或kg/s。质量流量m与体积流量Q之间的关系为式中 液体密度，kg/m3。2扬程泵的扬程是指每公斤液体从泵进口（泵进口法兰）到泵出口（泵出口法兰）的能头增值也就是单位质量液体从泵以后获得的有效能头，即泵的总扬程，常用符号H表示，单位为J/kg。目前在实际生产中，泵的扬程仍习惯用被输送液体的液柱高度m表示。虽然泵扬程的这一单位与高度单位一样，但不应把泵的扬程简单地理解为液体所能排送的高度，因为泵的有效能头不仅要用来提高液体的位高，而且还要用来克服液体在输送过程中的流动阻力，以及提高输送液体的静压能和速度能等。在工程应用中，有两种情况需要计算泵的扬程。一是在已知的管路中输送一定的流量时，计算泵所需要的扬程。根据泵给单位质量液体的能头H与输送液体所消耗的能头相等的能量平衡方程，可写出计算泵扬程的公式为： J/kg 式中 、分别为吸液罐和排液灌液面上的压力，Pa; 被输送液体的密度，kg/m3、分别为吸液罐和排液罐液面至泵中心轴线的垂直高度，m；、分别为吸液罐和排液罐液面的液体平均流速，m/s；吸入和排出管内总流动阻力损失，J/kg，但不计液体流经泵的阻力损失。3转速泵的转速是指泵轴每分钟旋转的次数，用符号表示，单位为转每秒，写作。4功率功率是指单位时间内所做的功，如果在一秒内把1牛顿重的物体提高1m的高度，这是就对物体做了1Nm/s,或1W。瓦单位在工程上使用太小，常用千瓦来表示。泵的功率分输入的轴功率和输出的有效功率。有效功率表示在单位时间内泵输送出去的液体从泵中获得的有效能头。5效率效率是衡量离心泵工作经济性的指标，用符号表示。由于泵工作时，泵内存在各种损失，例如其运动部件间产生相对摩擦而消耗一定的功率，所以不可能将驱动机输入的功率全部转变为液体的有效功率。轴功率与有效功率之差即为泵内损失功率，其大小用泵效率来衡量。除上述五个参数外，还有汽蚀余量或吸入真空度，以及比转数等。第3章 离心泵内部流场的研究方法3.1. 紊流理论概述紊流是一种极其复杂的非定常三维流动。紊流流场充满着尺度大小不同的漩涡，大的漩涡尺度可以与整个流场区域相当，而小的漩涡尺度往往只有流场尺度千分之一的数量级。由于流场中大小不同的漩涡不断产生和消失，相互之间强烈掺混，使得紊流流场中的物理量表现出脉动性质，具有极强的不规则性和随机性。整个流场中的物理量不仅是空间坐标的函数，也是时间坐标的函数，物理量的低频脉动是由于流场中的大漩涡引起的，高频的脉动则是由于小漩涡引起的。尽管紊流流场表现出极强的不规则性和随机性，但它仍然是粘性流体的一种运动形式，紊流流场中的物理量在每一瞬间仍必须满足质量、动量和能量守恒定律。紊流流体作为牛顿流体，仍然满足前面给出的连续性方程、N-S方程和能量方程。那么，从数学角度讲，只要给出相应的紊流存在的边界条件和初始条件，紊流问题的数值解完全是可求的。然而要正确反映紊流的流场信息，空间网格划分至少要跟小漩涡的尺度相当，时间步长也要反映出小漩涡的高频脉动。在这种空间网格划分和很小的时间步长的要求下，所需的计算机内存和运算速度都非常高，目前的计算机技术难以承受。而且，即使得到了紊流流场的数值解，从工程上讲也并无多大的实际意义。工程师们感兴趣的是流场中物理量的宏观平均行为，因此，工程中多用平均值方法来描述和求解紊流问题。获取平均值的方法很多，包括时间平均值方法、空间平均值法和概率统计平均值法等。工程上较多采用的是时间平均值法(简称时均值法)。时均值法是按某指定空间点上紊流运动量瞬时值在某时段上平均，适用于平稳随机流场。采用时均值法时，紊流流场中的瞬时物理量被表述为在时均值上叠加一个小量的脉动。根据紊流运动的特征，可以将紊流分成不同的种类。平稳紊流指在紊流流场中任一物理量的瞬时值与时间无关的紊流，这正是离心泵叶轮内部流场计算的紊流流动。3.2 无粘性流动数值模拟1950-1980 年是离心泵叶轮内部流动的无粘性数值模拟时期。受计算机技术的制约，研究人员大多把离心泵叶轮内部的流动简化处理为二维不可压势流、准三维或全三维势流。以流函数、势函数及 方程为控制方程进行数值计算。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。其基本思想是：在假定离心泵叶轮内的流动为二维势流后，叶片对流动的作用就可以用奇点（即涡、源、汇）代替，把叶片的表面分成许多的小块的面元，各离散的面元用孤立的点涡来代替，这样离心泵叶轮内流的计算就归结为求解满足边界条件的有限个奇点的分布强度问题，从而使数学过程大为简化。1952 年，吴仲华教授发表叶轮机械的s1,s2，凡两类流面通用理论，对离心泵叶轮内部流动的数值模拟产生了深远的影响。人们开始普遍使用s1,s2, 凡相对流面法来计算离心泵叶轮的内部流动，出现了准三维和全三维势流计算。在它的影响下，一些新的数值计算方法先后运用到离心泵叶轮内流的数值模拟中来。如流线曲率法和准正交面法等。（1）流线曲率法（又称准正交线法）。其基本思想为：在叶片泵的内流道中假定近似的流线，利用正交线上的速度梯度方程的求解得到流动量新的迭代值，再根据流量等值用反插法调整各流线的位置，迭代收敛至给定的精度。运用该法计算出离心泵叶轮内的平均相对流面（凡流面）的流线分布位置及速度分布；再用快速近似法求出叶片表面的速度分布、压力分布等参数，实现了离心泵叶轮内流的三元数值模拟。（2）准正交面法。其基本思想是：在叶片泵的流道中取定初始流线节点和相对速度邢的分布；再从各个准正交面上分别沿s1,s2，凡流面与准正交面的交线进行速度梯度方程的积分算出新的伴值；再通过整个准正交面的流量相等修正尸的值，反复迭代求得满足流量条件的附分布；然后反插等分流量点，得到新的流线节点坐标，求新的附分布和新的流线节点；反复迭代直至得到收敛的牙和流线节点分布。3.3 分区考虑粘性效应的数值模拟从1980-1990 年期间，人们对离心泵叶轮内流的数值模拟有了新的发展，不再仅仅停留在势流阶段，而是开始综合考虑叶片泵叶轮内流的粘性、回流及旋涡对内部流动的影响。计算机技术的发展也使更为复杂的数值计算得以实现。（1）势流一边界层的迭代解法。这种方法把离心泵叶轮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（主要集中于叶片和盖板的表面以及叶片和盖板的交界处），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的数值计算。上文所述的奇点分布法，s1,s2 相对流面法，准正交面法都可以用来进行计算。因为边界层内的流动要复杂得多，根据流动特性的不同又可将其分为层流边界层和紊流边界层，满足于不同的边界层方程。边界层的计算方法有积分法和微分法，对预估离心泵的整体性能、堵塞效应及损失分布等很有用处。边界层方程属于抛物型或双曲型，其数值求解方法很多。如 Ni 。 格式、Keller 箱式格式、特征差分格式及二步格式等。计算的详细步骤：首先进行主流区的势流计算，求得盖板表面和叶片表面的速度分布后，将其作为边界层外缘的主流速度，然后进行盖板面和叶片表面的边界层计算。根据流道内各表面的边界层计算结果修改得出叶轮盖板和叶片的新的几何形状，在此基础上重新进行主流区的势流计算。如此重复直至速度分布收敛为止。（2）射流一尾流模型。它是在这一时期也被广泛的运用于离心泵内流的数值模拟之中。所谓射流一尾流模型就是指离心泵叶轮内通道内的流动基本上是由相对速度较小的尾流区和近似于无粘性的射流区所组成。尾流区紧贴在叶轮的前盖板表面和叶片的吸力面上，其内流动的湍流度高，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。根据流动边界条件确定尾迹区形状，并将尾迹区作死水区处理，用准交面方法对射流区进行三元无粘性计算计算结果证明了这一方法的可行性，但为了提高预测的精度，尚需对尾迹的形成机理作更深人的研究。（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，计算离心泵叶轮内部的湍流流动。3.4 三维粘性数流动值模拟20世纪90年代开始，大容量、高速度计算机的出现、矢量机的问世以及并行化技术的发展，极大地推动了计算流体力学的发展。由于离心泵叶轮内流的三维性，以及叶轮旋转和表面曲率的影响，考虑湍流运动的叶轮内流计算方法正引起许多学者的兴趣，离心泵叶轮内流数值模拟进人了一个三维粘性数值模拟时期。通过直接求解雷诺时均方程，结合以湍流模型来计算叶轮内的三维粘性流动成为了离心泵叶轮内部流动数值模拟的主流。（1）压力修正法它是当前在离心泵叶轮内湍流数值模拟中运用最为广泛，也很成功的方法。其基本思想是：对于给定的压力场（一般为事先假定的或是上一层计算的结果）按次序求解动量方程，由此求出速度场未必满足连续性方程，因而必须对压力场进行修正。为此把动量方程所规定的和速度的关系代人连续性方程，得出压力修正方程，求出压力的修正值，进而去修正速度的值，以得出在这一迭代层次上满足连续性方程的解；然后用新的速度的值去校正动量方程的系数，开始下一层次的计算。如此反复，直至收敛。这也就是著名的SIMPLE (The Semi 一implicit Method for pressure Linked Equation）算法思想。它是由Patanket 和Spalding于1972年提出的，后来经过了许多学者的发展出现了不少的改进版，如SIMPLER 算法，SIMPLERST 算法，SIMPLEC 算法等。应该提到压力修正法多是用交错网格（即压力和速度在不同的网格上计算）以便抑制压力场的振荡。近年来由于大量使用贴体坐标，因此也出现了非交错网格的压力修正法。利用 口湍流模型以及由Chen ,Y.S展的SIMPLEC 算法 ，进行离心泵叶轮内部的二维紊流计算，成功地得到了离心泵叶轮内的速度、压力及紊动