（流体机械及工程专业论文）旋转喷射泵的进口流场分析计算.pdf

旋转喷射泵的进口流场分析计算 流体机械及工程专业 研究生王云芸指导教师陈次昌、杨昌明 旋转喷射泵又称皮托泵，是一种工作原理和结构都很独特的小流量、高扬 程的极低比转数泵。其主要工作部件包括旋转的叶轮、转子腔和固定的集流管。 液体在对轮中获得麓蠡后进入转子腔。固定的集流管收集转子腔中的高动能液 体，将液体的动能转化成压能输出。旋转喷射泵与多级离心泵和高速泵比较有 效率高等不少的优点。国外对它的设计、生产和使用已比较成熟，但对其研究 报道极少。国内对旋转喷射泵的研究开发尚处于起步状态，尚需作出进一步工 作，使其能在国内得到广泛的推广应用。 本课题运用较件f l u e n t , 对旋转喷射泵在多个工况点下进行全流场的三 维数值模拟，来重点分析其叶轮流道内的流体的流动规律。本文先用g a m b i t 建立好计算区域的物理模型，再用t g r i d 将满足计算要求的网格文件连接起 来并导入到f l u e n t 中进行数值模拟，该计算以n s 方程为基础，选用r s 湍流模型，通过非结构化网格的划分和滑移界面的应用，采用有限体积法对 n a v j e r s t o k e 方程进行数值离散，运用s i m p l e c 方法求解，壁面处采用标准 壁面函数，经过c f d 迭代计算，得到流体在旋转喷射泵内部的流动状况，最后 重点分析了叶轮流道内流体的流动规律。 利用f l u e n t 软件自带的后处理模块，将计算结果可视化并重点对叶轮流 道的流场分析后，得出以下结论：流体在叶轮内获得能量，压力随着叶轮半径 的增加而增大，叶轮背面的压力值略低于工作面；流道内的绝对速度受牵连速 度的影响，也随着半径的增加而增大。没有发现脱流和二次流的现象。这说明 对于低比转数旋转喷射泵来说，矩形断面形状的叶轮比长短叶片的复合叶轮水 力性能更好，其设计也更为合理。 关键词：旋转喷射泵、叶轮、流道、实验、数值模拟 a b s t r a c t t h er o t o _ 0 e tp u m p ，a n o t h e rn a m ei sp i t op u m p ，i sav e r yl o ws p e c i f i cs p e e d p u m pw i t hl o wf l o wr a t ea n dh i g hw a t e rh e a d i th a ss p e c i a lw o r kt h e o r ya n d c o n f i g u r a t i o n i t sm a i nw o r kc o m p o n e n t si n c l u d i n gar e v o l v i n gi m p e l l e r , ar e v o l v i n g c a v i t ya n daf i x e dc o l l e c t i n gp i p e t h ef l u i dg a i ne n e r g yf r o mi m p e l l e rb e f o r ei t c o m ei n t oc a v i t y 1 1 1 ef i x e dc o l l e c t i n gp i p em a k eh i g hk i n e t i ce n e r g yf l u i dg a t h e r e d i nc a v i t ya n dt r a n s f o r mi ti n t op r e s s u r ee n e r g yt h e ne x p o r t i t c o m p a r e dw i t h m u l t i s t a g ep u m pa n de x p r e s sp u m p ，t h er o t o - - j e tp u m ph a sal o to fe x c e l l e n c es u c h a sh i g h e re f f i c i e n c y i tw a sd e s i g n e d , p r o d u c e da n du s e da b u n d a n to v e r s e a s ，b u t t h e r eh a sf e wr e s e a r c hr e p o r ta b o u ti t n ec o r r e l a t i v er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tj u s t s t a r ta th o m ea n dn e e dm a k ew i t hm o r ew o r k s oi tc a nb ee x t e n d e da n da p p l i e d w i d e l y b yu s i n gt h es o f t w a r ef l u e n t , a n dt h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i n g t h er o t o - j e tp u m pu n d e ras e r i e so fo p e r a t i n gc o n d i t i o n ，t h ef l o w i n gd i s c i p l i n a r i a ni n i m p e l l e rw a sm a i n l ya n a l y z e d i nt h i sp a p e r , t h es o f t w a r eg a m b i tw a su s e dt o c r e a t ep h y s i c a lm o d e lo fc a l c u l a t i o n a lz o n e ，t h e nt h es a t i s f a c t o r ym e s hf i l e sw e r e c o n n e c t e db yt h es o f t w a r et g r i da n dw e r er e a di n t of l u e n tf o rn u m e r i c a l s i m u l a t i o n b a s e do nn a v i e r - s t o k e se q u a t i o n sa n dt h ek 一m o d e l ，w i t hu n s t r u c t u r e d g r i ds y s t e ma n ds l i d i n gi n t e r f a c ei sa p p l i e df o rt h es o l u t i o no ft h ed i s c r e t i z a t i o n g o v e r n i n ge q u a t i o n sb y f i n i t ev o l u m e m e t h o du s e d s t a n d a r dw a l lf u n c t i o nj s a p p f i e df o rt h ew a i l s t h r o u g hc f di t e r a t i v ec a l c u l a t i o n ，t h ei n t e r i o rf l o w i n gs t a t u s i nt h er o t o - j e tp u m pw a so b t a i n e da n dt h ef l o w i n gd i s c i p l i n a r i a ni ni m p e l l e rw a s m a i n l ya n a l y z e d e m p l o y i n gt h ep o s t p r o c e s s i n gm o d u l ei nt h es o f t w a r ef l u e n tt of i n i s ht h e f l u i da n a l y s i s ( m a i n l yi nt h ei m p e l l e r ) w eg o tt h ef l o w i n gr e s u l t s ：t h ef l u i dg a i n s e n e r g yi nt h ei m p e l l e r , t h ep r e s s u r ei n c r e a s i n gw i t ht h ei m p e l l e rr a d i u sa n dt h e p r e s s u r eo ft h eb a c kf a c eu n d e rt h ew o r k i n gf a c es l i g h t l y f o ra f f e c t e db yt h e c i r c u m f e r e n t i a lv e l o c i t y , t h ea b s o l u t ev e l o c i t ya u g m e n t i n gw i t ht h ei m p e l l e rr a d i u s t o o n os e c o n df l o wa n dd e v i a t ef l u i dw a sf o u n d a i lt h i sc a l ls h o wt h a ta sf a ra sl o w s p e c i f i cs p e e dp u m pw a sc o n c e r n e d ，t h ec a p a b i l i t yo fi m p e l l e rw i t hr e c t a n g l ec r o s s s e c o o ni ss u p e r i o rt h a nc o m p o u n di m p e l l e rw i t hs h o r ta n dl o n gv a n e ，t h ed e s i g no f t h ef i r s ts t r i n gi sm o r ei nr e a s o nt h a nt h e1 a f t e r k e yw o r d s ：r o t o j e tp u m p ，i m p e l l e r ，f l o wc h a n n e l s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n e x p e d m e n t 西华大学硕士学位论文 1 1 课题来源及题目 1 1 _ 1 课题来源： 四川省机械研究设计院 第一章绪论 1 1 2 课题题目： 旋转喷射泵的进口流场分析计算 1 2 概述 目前我国生产的泵类产品主要有离心泵、混流泵、轴流泵、旋涡泵和往复泵 等。虽然已有较为广泛的型谱覆盖范围，但在小流量、高扬程的范围内，仍没 有较为理想的产品，在此领域应用的产品大多为高速泵、多级泵和往复泵。通 常的工业离心泵不能适用于小流量、高扬程的工况条件，而高速泵、多级泵和 往复泵则体积庞大笨重、易损件多、维修费用高、工作量大且价格昂贵、往复 泵出口压力有脉动无法满足工业生产的需要。 旋转喷射泵又称皮托泵，是一种工作原理和结构都很独特的极低比转数泵。 旋转喷射泵的主要工作部件为一高速旋转的转子体和一静止的集流管，转子体 由叶轮和转子腔组成。液体从吸入管进入叶轮，在叶轮中获得能量后进入转子 腔。固定的集流管收集转子腔中的高动能液体，将液体的动能转化成压能输出。 它满足小流量、高扬程的使用工况。与多级离心泵和高速泵比较有不少的优点， 如其结构简单，维修成本低、寿命长；动密封在进口低压侧，在主轴端无密封 问题，解决了高压泵普遍存在的高压密封问题：其噪声低、操作方便、运行工 况稳定、效率比同比转数离心泵的高；流量扬程曲线平滑，不存在低比转数离 心泵流量扬程曲线的驼峰现象，且液体输出脉冲小，很适合对流体输送要求较 平稳的生产岗位。在相同比转数的情况下，比容积式泵或多级离心泵的体积小、 重量轻。因此，它特别适用于油田注水、原料油的输送( 例如乙烯焦油、煤焦油 由泵通过喉管送入燃烧) 、高压冲洗除垢等要求流量平稳、无脉动的流体输送场 合【1 】。并广泛地用于石油、化工、化肥、冶金、采矿、碳黑、造纸等行业，是 西华大学硕士学位论文 高速离心泵、高压多级离心泵和部分容积泵的理想替代产品。 1 3 研究目的和意义 旋转喷射泵是一种值得推广的新型极低比转数泵，国外对它的设计、生产 和使用已比较成熟，但对其研究报道极少。国内对旋转喷射泵的研究开发尚处 于起步状态，尚需作出进一步工作，使其能在国内得到广泛的推广应用。 由于旋转喷射泵结构的特殊性，对内部流动进行实验研究极其困难。而近 年来，计算机的技术飞速发展和湍流数值模拟理论的不断改进，通过数值仿真 逐步代替物理实验来提供精确的流场研究有了希望。基于这种认识，一些学者 开始致力于通过数学模拟的手段来研究这一问题。通过一些研究发现，流场数 值模拟技术的发展为研究旋喷泵的内流场提供了可能性，因此就相当有必要进 行旋喷泵内部流动的数值模拟的工作。为了能设计出性能优良的成型产品，考 虑到数值模拟的特点和优点，希望通过对本课题的研究，结合商业流体计算软 件f l u e n t 对旋转喷射泵内部流场进行数值模拟，能有助于大家了解旋转喷射 泵内部的流动规律，对设计人员进行水力设计有所帮助，以此节省设计人员的 时间和精力，节约产品的开发成本和开发费用，达到优化设计旋转喷射泵叶轮 的目的。 1 4 国内外研究现状及技术发展趋势 1 4 1 旋喷泵在国内外的发展状况 旋转喷射泵的结构原理是在1 9 2 3 年由e w k r o g h 提出的，他把皮托管的 原理应用与泵的设计上，故称为皮托泵。第一台利用皮托管原理研制的泵是开 式的，有许多缺陷。直到2 0 世纪2 0 年代，人们才研制出了闭式皮托泵。第二 次世界大战爆发后，德国和英国为开发火箭和导弹开始研制旋喷泵。随着二战 的结束，旋喷泵的研究陷入低谷。直到2 0 世纪6 0 年代，人们发明了封闭转轮 和封盖，这二者组成了一个径向的旋转叶轮才使得旋喷泵开始发展起来，并最 终形成了当前的基于皮托管原理的旋喷泵模型。此时，众多的行业需要一种可 以随意调节流量和在扬程曲线上全范围工作的性能稳定的高压泵。如在食品行 业中清理系统就需要这种高压泵，而旋喷泵恰好可以满足这种要求。这种清理 系统在食品行业中随处可见，另外在造纸工业、石油化工与炼制以及电站中都 2 西华大学硕士学位论文 需要具有这种工作特性的泵。在此背景下，2 0 世纪6 0 年代的美国出现旋喷泵 的专利，到7 0 年代，k o b e 公司生产出了第一台商用旋喷泵，从此旋喷泵开始 走向市场，逐渐被人们所接受。此后七、八十年代在国际上出现了一段关于旋 喷泵的专利高潮，在国外，旋喷泵已具有比较令人满意的性能。 旋喷泵在国内的发展基本上经历了引进消化吸收开发生产这一 过程。我国最早引进旋喷泵是在1 9 8 7 年左右在炭黑新工艺改造中用于原料油的 输送。这种原料油为乙烯焦油、煤焦油、由泵通过喉管送入燃烧炉。在这种场 合，要求泵有较高的压头和稳定的流量。由于原料油为富含芳烃的非润滑性油， 用一般的螺杆泵、齿轮泵和多级离心泵输送时磨损严重、使用寿命很短。在引 进了美国两台r 0 一s 2 6 6 型旋喷泵投入运行半年后，其运行工况仍然具有无 脉动流动、压力稳定、运转平稳、不需检修、不磨损零件的特点。1 9 8 8 年，龙 兴茂等对旋喷泵作了专题介绍，详细介绍了旋喷泵结构和原理，列出了系列产 品的性能范围和所用的材料，并说明了旋喷泵在小流量高扬程范围内的发展前 景。他认为随着石油化工、化学工业、印染业、冶金业等的发展，旋喷泵必然 会得到发展和应用。 1 9 8 9 年北京化工机械厂开始对旋喷泵进行调制和试制，1 9 9 2 年通过化工部 鉴定。其中有2 台泵在天津炭黑厂进行了工业性考核试验，使用良好。经过他 们的实验验证表明，旋喷泵的扬程和功率曲线都比较平缓，效率比高速泵要高 6 - 8 。 随着旋喷泵的成功引进，国内开始对旋喷泵的工作原理、结构特点、水力 设计及使用条件等进行研究，取得了些初步成果。但是在很多方面还需要进 一步开展工作，比如其内部流动的数值模拟。国内外对其的研究报道也极少。 由于对旋喷泵进行现地实验测试会有诸如成本高、投资大、耗时等缺陷，而对 其内部流动进行数值模拟就不但能有助于认识其内部流动特性、流动状况和流 动规律等且能很好的解决了这些缺陷。现今数值模拟的方法已逐渐广泛的应用 到各种流体机械中去。 1 4 2 叶轮的研究现状和发展 旋转喷射泵的叶轮是旋喷泵的主要工作部件之一，是泵能量转换的重要部 件，其结构设计的形状和尺寸直接影响到整个泵的工作性能。现已有一些学者 3 西华大学硕士学位论文 对此作了分析研究。 旋转喷射泵的叶轮属于极低比转数离心式叶轮，为了防止肘轮流道严重扩 散，容易引起叶轮流道产生脱流，而导致其在小流量工况下工作不稳定，常采 用长短叶片结合的复合叶轮。即在叶轮流道容易产生回流和脱流的部位增设短 叶片，就能改善叶轮流道内的速度分布，有效阻止边界层的分离和脱流的产生。 具体设计旋喷泵叶轮可以参考朱祖超、王乐勤等关于极低比转数高速离心泵复 合叶轮的研究成果( 文献【3 、4 】) 。在文献【5 、6 】中齐学义，杨军虎等分析了影 响旋喷泵性能的主要参数，列出了计算叶轮几何参数的经验公式。并根据旋喷 泵扬程一流量曲线特点，提出了旋喷泵叶轮的优化设计数学模型、优化设计方 法及水力参数的设计原则，并进行了实例计算和比较t ”。程云章等1 8 1 设计了矩 形断面形状的叶轮，给出了确定了叶轮几何参数的方法。王成木等【7 1 做了复合 叶轮和矩形断面叶轮( 如图2 、3 所示) 与4 种不同的集流管进行交叉试验对比 后发现，把叶轮流道设计成均匀规则的矩形断面对于低比转数旋喷泵来说，比 长短叶片的复合叶轮水力性能更好，且结构简单，不需铸造，可采用全机加工 的方法获得精度很高、表面粗糙度很小的叶轮。本文就将对这种矩形断面叶轮 内的流场进行数值模拟分析。 f i g 1 1c o m p o u n di m p e l l e r 图2 复合叶轮 f i g 1 2i m p e l l e rw i t hr e c t a n g l es e c t i o n 图3 矩形断面叶轮 1 5 课题的主要研究内容、途径及技术路线 1 5 1 旋喷泵三维模型的建立 4 西华大学硕士学位论文 本课题以功能强大的应用软件f l u e n t 为基础，利用g a m b i t 软件建立旋 转喷射泵的过流部件的几何物理模型。根据过流部件木模图的原始数据，在 g a m b i t 软件的绘制图形的环境下，绘制出旋转喷射泵的所有过流通道包括叶 轮流道及其前流道、腔体和集流管的三维模型，并使用其网格化功能，对这些 三维模型图进行网格化，最后设置好边界条件( 包括进口、出口、壁面和内部 流体等等) ，生成具有r a s h 格式的网格图，并将其输出到f l u n e t 软件的模拟 计算环境中去。 1 5 2 旋喷泵实验 通过实验对该旋转喷射泵进行了外特性的测试。 1 s 3 旋喷泵叶轮内部流场的数值模拟和分析 考虑到湍流模型的选择对流场计算影响较大，为此分析和比较了几种湍流 的理论思想，在此基础上选择f l u e n t 软件中能满足旋喷泵内部三维湍流流动 计算切实可行的计算方案。然后通过f l u e n t 软件对旋喷泵内部流动的全流场 进行数值模拟计算，分析了其内部叶轮流道的流动规律及特性，并将计算结果 与实验结果进行了对比，得出结论。 诬华大学硕士学位论文 第二章旋转喷射泵的基本理论及湍流模型 2 1 泵的基础知识睁卅 泵是人类应用最早的机器之一。在人们的实际生活中，泵的应用极为广泛。 在农业和水利工程中，水泵用于农田灌溉等用途是必不可少的；在火力发电厂 中，有向锅炉供水的锅炉给水泵，还有冷凝泵和循环泵；在城市和工业给排水、 石油矿场、输油管线、化工厂、钢铁厂、采矿工业以及各种工程施工中也需要 大量不同类型的泵，另外，目前泵还应用到原子能发电、舰艇的喷水推进、火 箭的燃料等方面去。凡是要让液体流动的地方，都可以看到它在运行。因此， 人们称它为通用机械，在现今世界上泵的产量仅次于电机，它所消耗的电能约 占世界发电总量的四分之一。 2 1 1 泵的定义和分类 一、泵的定义 泵是能量转换的机械，它把原动机的机械能转换为抽送液体能量。从而将液 体提升或压送到所需之处。一般来讲，原动机通过泵轴带动叶轮旋转，对液体 做功使其能量增加，从而使要求数量的液体从吸入池经过泵的过流部件，输送 到目的地。 二、泵的分类 泵的种类繁多，结构各异，按其作用原理可分为以下三大类。 1 、叶片式泵 叶片式泵是靠泵内高速旋转的叶轮将机械能转换给被抽送的液体。它包括 离心泵、轴流泵、混流泵等。 2 、容积式泵 容积式泵是利用泵的工作室容积周期性的变化来转换能量输送液体的。根 据工作室容积改变的方式可分为往复泵和回转泵。 3 、其他类型泵 是指除上述两类泵外的其他特殊泵，包括只改变位能的泵( 如水车) 和利 用液体能量来输送液体的泵( 如射流泵、水锤泵等) 。 6 西华大学硕士学位论文 2 1 2 叶片泵的主要性能参数 叶片泵的主要性能参数是用来表征叶片泵性能的一组参数i 包括流量q 、 扬程h 、转速n 、汽蚀余量j l 、功率n 和效率，7 。 一、流量 流量是指泵在单位时间内输送液体的体积或重量。分为体积流量( 用q 表 示) 和质量流量( 用q 。表示) ，它们之间的关系为q 。= p q 。式中p 为液体的 密度( 姆m 3 ) 。 二、扬程 扬程是泵所抽送的单位重量的液体从泵的进口到泵的出口增加的能量值。 即单位重量液体通过泵所获得的有效能量值。单位是n m n - - m 。工程中有时 也用大气压力来表示，单位是k p a 或m p a 。扬程可写为： h e 2 一e 1 其中 e ：2 争+ 善z g + z ：巨。争+ 善2 9 蝎 ( 2 1 ) yy 式中：e ：、e 。泵出口、进口处单位重量液体的能量( m ) ； p ：、p 。泵出口、进口处液体的压力值( p a ) ； v 2 、v 。泵出口、进口处液体的绝对速度( 1 1 l s ) ： z 。、z ：泵出口、进口到任选的测量基准面的距离( m ) 。 因此，泵的扬程可表示为 h 堕丑+ 芝善+ ( z ：一z 。)( 2 2 ) yz g 三、转速 转速用n 表示，是指泵的叶轮每分钟旋转的圈数，单位是r m i n 。 转速是影响泵性能的一个重要参数，任何泵都是按照一定的转速设计的， 当运行泵时若其实际转速不同于设计转速时，则泵的其他性能参数也会发生变 化。 西华大学硕士学位论文 四、汽蚀余量 汽蚀余量是表示泵汽蚀性能的参数，用j l 表示。 五、功率 泵的功率分为输入功率和输出功率。 输入功率又称轴功率，指原动机传到泵轴上的功率，用n 表示。 输出功率又称有效功率，表示单位时间内泵输送出去的液体从泵中获得的 有效能量。用表示。可表达为 。；盟 (23)1000 。e、一。， 式中y 泵输送液体的重度( 牛顿，米3 ) ； q 一泵的流量( 米3 ，秒) ； h 一泵的扬程( 米) 。 六、效率 泵的效率是指其有效功率与轴功率比值的百分数，用r 表示。效率的表达 为叩一等= m m ( 2 4 ) 式中 叩。泵的机械效率；r v 亏蕤的容积效率：仉泵的水力效率。 2 2 旋转喷射泵的基本理论 2 2 1 旋喷泵的结构和工作原理 旋转喷射泵又称皮托泵，是一种工作原理和结构都很独特的极低比转数泵。 属于叶片泵的范畴。旋喷泵结构如图2 1 所示1 7 1 。 在图2 1 中，箭头标明了泵内流体的运动方向，流体通过殴人室轴向流入 随转子腔高速旋转的叶轮内，液体在叶轮内获得一定的能量后，液流以轴向排 出的方式进入转子腔内，静止的径向集流管收集转子腔中的高动能液体，它把 液体的动能转换成压能并输出，从而在旋喷泵中完成了机械能转换为液体能量 过程。 西华大学硕士学位论文 l己 3 4s6 78 泵出 哦人 f i g 2 1c o n f i g u r a t i o no fr o t o - j e tp u m p 图2 1 旋喷泵的结构图 1 、轴承箱2 、主轴3 、轴承4 、转子腔5 、集流管6 、叶轮7 、机械密封8 、吸入室 2 2 2 旋喷泵的性能特点 旋喷泵的主要性能特点是流量小、扬程高、流量特性曲线平稳；无圆盘摩 擦损失；结构简单可靠：易于密封；与同比转速离心泵和多级泵相比效率较高。 1 、平稳的流量特性曲线 由于旋喷泵没有圆盘摩擦损失，叶轮出口角大( 接近9 0 。) ，且液体流出叶 轮后进入转子腔，液体在转子腔中具有稳定过程。因此，有效地避免了低比转 数离心泵q h 曲线的驼峰现象，从而具有平稳的流量特性曲线。 2 、无圆盘摩擦损失，效率离 泵的损失通常包括机械损失、水力损失和容积损失。而机械损失又包括轴 承和密封损失、圆盘摩擦损失。据有关资料统计，低比转数离心泵的圆盘摩擦 损失约占泵水力功率的2 5 左右因而低比转数离心泵提高效率的关键就是要 降低圆盘摩擦损失。 而在旋喷泵中，由于转子腔和叶轮是由泵轴带动一起转动的，所以不存在 圆盘摩擦损失。但旋喷泵叶轮是轴向吸入、排出液体，没有蜗壳来转化从叶轮 中流出液体的旋转动能，水力损失比离心泵大些。总的来说，旋喷泵用于低比 西华大学硕士学位论文 转数的高扬程、小流量工况下，效率还是明显高于多级泵和高速泵。这都是由 于多级泵和高速泵的圆盘摩擦损失的原因。另外高速泵还有扩压损失，文献【8 】 对旋喷泵、多级泵、高速泵的效率进行了试验对比，试验数据示于图2 2 。可见， 在高扬程、小流量工况下，旋喷泵比多级泵及高速泵有明显的效率优势。 f i g 2 1c o m p a r i n ge f f i c i e n c y 图2 2 效率比较 3 、结构简单可靠，易于密封 由图2 1 可见，旋喷泵零件较少，比多级泵及高速泵简单，因此，它更可 靠、更经济，且便于装拆及维护。旋喷泵只在其进口处才设有机械密封，泵进 口压力一般不高，容易密封。高压出水由静止的集流管来承担，在主轴端不存 在密封问题，所以不必担心有介质进入轴承，解决了高压泵普遍存在的密封难 题。 2 2 3 旋喷泵叶轮的设计 旋喷泵叶轮是一个具有轴向吸入、排出的低比转数叶轮，比转数n = 5 3 0 ， 但旋喷泵叶轮工作条件不同于一般低比速的离心泵叶轮；由于它没有圆盘摩擦 损失，所以旋喷泵叶轮的设计主要考虑叶片的设计。在满足流量、扬程、汽蚀 等指标的前提下有较高的效率。 在转子腔中，在不考虑液体黏性的情况下，由于转子腔表面没有切向力作用 1 0 西华大学硕士学位论文 于液体，因此液体在转子腔中不能获得能量。在吸入室和集流管中，也没有力 作用于液体使液体获得能量。由此可见，旋喷泵的理论扬程就是叶轮产生的理 论扬程。即 h ，；三 ：v 。：一m 。吒。) g ( 2 5 ) 式中，h ，旋喷泵的理论扬程 u 2 ，, u ，叶轮出口、进口的圆周速度 也：，也，叶轮出口、进口绝对速度的圆周分量 基于以上理论，齐学义，杨军虎等在文献【5 、6 】中提出了长短叶片结合的 复合叶轮的设计方法。程云章等嘲则给出了矩形断面叶轮的设计方法。王成术 等则将这两种叶轮用来进行了试验对比研究”。现介绍如下： 一、长短叶片结合的复合叶轮的设计方法 由离心泵欧拉方程： 片，：堕q ：一v , 2 c t g # 2 ) 一监( 2 6 ) g占 可以知道，提高离心叶轮扬程系数的有效办法是增大叶片出口角鼠，但是 过大的卢，将引起流道扩散严重，容易引起叶轮流道产生脱流，这正是低比速泵 在小流量下工作不稳定的主要原因。由于叶轮流道里的液体受叶片的作用不均 匀，靠近叶片工作面侧强而在非工作面侧弱，所以在逆向压力梯度作用下，靠 近叶片出口区域非工作面的边界层容易产生分离，这样使液流在边界层附近产 生回流和脱流，形成尾流区。在回流和脱流区液流的能量损失很大，当流量较 小时，回流和脱流就加强，使泵的水力损失增大，工作性能不稳定，扬程和效 率都大大降低。如图2 3 所示，若在叶轮流道容易产生回流和脱流的部位增设 短的辅助叶片后，就能改善叶轮流道内的速度分布，使出口流速变均匀，有效 阻止边界层的分离和脱流的产生。设计参数的确定如下： 西华大学硕士学位论文 毹p 莲剡 弋 f i g 2 3s k e t c hm a po fc o m p o u n di m p e l l e r 图2 3 复合式叶轮示意图 1 、叶轮直径d ：和d i 的确定 复合叶轮的出口直径d ，可依据如下经验公式确定： 即罢厚 初步设计时可取扬程系数妒= 0 5 6 0 6 估算叶轮外径。而短叶片入口处直 径d i 可依相对速度比的准则来确定。 o 肌警s 粤虬7 ( 2 8 ) 形职 、7 d l ；0 4 一o 6 ( 0 。+ d 2 )( 2 9 ) 2 、叶片数z 和叶片进出口安放角卢。，卢： 复合叶轮流道出口增加短叶片后，泵的扬程系数增大。同时考虑到叶片数 z 和进口安放角卢。对汽蚀性能的影响，一般取长短叶片数相等，长叶片数的取 值范围为：z 。= 4 - 8 。 结合设计经验，叶片进口安放角一般取为卢。= 1 5 。- 2 5 。 叶片出口角卢：尽量取较大值，可提高扬程系数，建议取：芦：- - 3 5 。9 0 。 3 、b ：的计算 西华大学硕士学位论文 旋喷泵由于流量小，故叶片宽度较窄，加之叶轮是轴向出口，所以，整体铸 造几乎是不可能的。因此在工艺上常分别加工轮盘和轮盖，以便有利于保证流 道形状和尺寸，提高水力效率。叶轮的出口宽度建议采用下列公式预估： 嘶3 5 盎) 5 6 悴b 2 s0 7 8 0 白m 挣 ( 2 1 0 ) 但最终取值需结合叶片出口角、叶片厚度、集流管进口面积等因素综合考虑。 二、矩形断面叶轮的设计方法 此方法就是将叶轮流道均设计为规则的矩形断面，其形状简单，可用机加 工方法获得( 其他参数的确定方法同上) 。其几何形状如图2 4 所示： f i g 2 4s k e i c hm a po fn c t 四es e x t o no fi m p e u e r 图2 4 矩形断面叶轮示意图 王成木等设计了这两种型式的叶轮并用来进行了试验对比后得出如下结 果：复合式叶轮流道面积扩散大，而矩形断面叶轮扩散小。在q 一，7 曲线中，矩 形断面叶轮的最高效率明显高于复合式叶轮，尤其是在大流量区更为明显。在 q h 曲线中，二者的扬程相差不大。在q 一，曲线中，复合式叶轮要优于矩 形断面叶轮。 这些试验结果说明，造成复合式叶轮效率普遍较低的主要原因是其过流面 积扩散严重，水力扩散损失增大。二者的q 日曲线相当，是因为其设计的外 径相差不多，叶片出口角相当，且液流流出叶轮后都进入转子腔，使液流变得 西华大学硕士学位论文 稳定的原故。在q 一，曲线中，复合式叶轮优于矩形断面叶轮，这是因为前者 叶轮进口角较小，后者进口角较大，液流冲角太大。所以吸入性能变差。但由 于前者叶轮进口排挤要大于后者，因此，前者吸入性能并不比后者优秀许多。 通过试验得出如下结论，矩形断面叶轮更适合于旋喷泵，它不单水力性能 好，且结构简单，不需铸造，可采用全机加工方法获得精度很高，表面粗糙度 很小的叶轮。 2 3 湍流模型的类型 近几十年以来，随着计算机技术的日新月异，出现了多种类型的湍流模 型，大致可分为涡粘模型、大涡模拟、应力模型三大类。如图2 5 所示。 2 3 1 涡粘模型 在应用雷诺方程与连续方程解决湍流问题时由于雷诺方程中增加了六个未 知的雷诺应力项而形成湍流基本方程的不封闭问题。因此要应用这些方程必须 首先解决封闭问题。根据湍流的运动规律以寻求附加的条件和关系式从而使方 程封闭可解就是近年来所形成的各种湍流模型。随着电子计算机的迅速发展， 湍流模型的研究已成为近年湍流研究中发展最快的一个分支，成为解决工程实 际湍流问题的一个有效的手段。 早在1 8 7 7 年，j b o u s s i n e s q 提出了用涡粘度将雷诺应力与时均流速联系起 来的设想，并于1 8 8 7 年提出了湍流粘性系数的概念，即将雷诺应力写成如下形 式： 一p 珥啪( 吾+ 等) 脚- ， 式中的系数肛，称做湍流粘性系数，而坼一心p 称做湍流运动粘性系数， 这样就以一种新的方式来表达雷诺应力。为了求解雷诺方程，就必须给出p ，或 v ，新的补充关系式。 后来又发展了一系列以p r a n d t l 混掺长度理论为代表的半经验理论，并得到 了广泛的应用。这些湍流模型都只是应用湍流的时均方程，并未引进任何有关 珏华大学硕士学位论文 f i x 2 5 s k e t c h w l a o o f k i n d s o f v i s c o u s m o d e l s 图2 5 湍流模型分类示意图 脉动量的方程，因而被称为零方程模型。在该模型中，雷诺应力和局部平均速 度梯度的联系是通过混掺长度和湍流粘性建立起来的，因此，这是一个局部平 衡的概念，缺少普遍意义。随着湍流模型研究的发展又出现了一方程模型，除 时均的雷诺方程和连续方程外增加一个有关脉动量的方程，常用的为脉动动能 方程。由于七= 三“，t = 三孺代表脉动动能，这个方程称为女方程 西华大学硕士学位论文 ( k e q u a t i o n ) 。即： 詈+ 嚆。再等一毒陬+ 爿一毒l 叫等等c z j 动 上式右边最后一项就是在动能方程中的脉动粘性耗散项，即。 在这方程模型中，虽然引进了个湍流脉动动能方程，但仍没有使湍流 运动方程组真正封闭，它还需要引用p r a n d t l 混掺长度概念，即设定1 ，一c 。k2 l 中的值后，能使方程组完全封闭。但是在一些复杂的回流区的湍流运动中，f 的 数值很难由实验确定。所以，研者们在一方程模型的基础上，提出再增加一个 方程( 即七和z 的组合量) 来使方程得以完全封闭。这一研究工作引起了许多研 究者的兴趣，他们提出了各自的组合量关系坼一，忙，) ，以次来封闭湍流方程 组。主要的二方程模型有如下几种： t a b l e 2 1p f i m a r yd o u b l ee q u a t i o nm o d e l sa n di t sp r e s e n t e r 表2 1 主要的双方程模型和提出者 提出者组合量原用符号 三 ik o l m o g o r o v ( 1 9 4 2 ) 七2 l 周培源( 1 9 4 5 ) ，d a v i d o v ( 1 9 6 1 ) ， l h a r l o w - n a k a y a m a ( 1 9 6 8 ) ， k2 l j o n e s - l a u n d e r ( 1 9 7 2 ) r o t t a ( 1 9 5 1 ) ，s p a l d i n g ( 1 9 6 7 ) ， f s p a l d i n g ( 1 9 6 9 )k 1 2 w r o t t a ( 1 9 6 8 ) ，n g - s p a l d i n g ( 1 9 7 2 ) ，r o d i s p a l d i n g ( 1 9 7 0 ) 七，埘 目前工程中得到广泛应用的是k f 方程湍流模型。经过简化和整理，可 得到湍流运动的封闭方程组，它们是： 1 6 西华大学硕士学位论文 塑，0 a x j a i fai - 一 1a i02 一u - v f i + i 沪一万i c 。丽增 ；+ j ：? 仁，七) j ：j ( ”+ 毒) 善】+ 6 。一c 。s q 1 3 詈+ i ( - ；s ) 毒盱+ 毒) 考卜詈( c l f g t c 扩) 式中，q 譬，g tq ( 等+ 亟o x l1 亟8 x s ，方程组中各常数的值为： c ，q c 1 。 c 2 。 口 吼 o 0 91 01 4 41 9 20 91 3 式( 2 1 3 ) 司写成通用的微分万程彤式 警+ 毒) 2 亡卜詈) + s 一 式中，驴为通用变量，l 为输运系数，s 。为源项a k s 方程湍流模型又分为以下三种模型：标准七一f 模型、r n gk s 模 型和r e a l i z a b l e x 一s 模型。分别详述如下： 1 、标准j r s 模型 标准的七一双方程模型是通过联立湍动能k 和耗散率的运输方程，并建 立它们与湍流粘性的关系： p 告。毒陋+ 尝) 詈卜q 一伊 c z p 告4 毒陋+ 芑) 毒】+ c “妻g r 吨c p t e 2 c z ， 西华大学硕士学位论文 其中，。p c 。竺为湍流涡团粘性系数。g ，是由于速度梯度引起的应力生成 项( 或源项) ： 。 丌a “ g r 一肌“，詈 ( 2 舶) 经过模化后，有： g 。一p f 5 2 舯s l 瓜一；互1 i ( 缸o u _ i 甜 这种方法稳定、简单、经济，并在较大的工程范围内具有足够的精度。但 是它的缺点在某些情况下如有回流和大曲率和强旋度的情况下不能很好地预测 湍流特性。鉴于此，人们提出了以下两种不同的修正方法。 2 、r n gk 一5 模型 r n gk e 模型的主要思想是依据模糊数学理论，用公式率定代替标准的 k 一模型中参数的实验率定，同时对k s 方程做了一些修正，其方程如下： p 鲁2 卦幽卦咖s ，乃 p 瓦2 面卜蚵面| + q 邓8 ( 2 j7 ) p 告一毒l 孵毒i 詈g 。- c 。p l a d z 4 c l e p - - r - r ( 2 1 8 ， p 面。瓦l孵i i i q 吖nr ) 其中，g 。含义与上述相同。 从方程( 2 1 7 ) 和( 2 1 8 ) 来看，它在形式上与方程( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 是相似的， 但实际上有以下修正： 1 、有效粘性。的模化： 在r n gr 一模型对标准j f 一模型的修正之一就是用公式率定代替标准 j f s 模型中参数的实验率定。要点如下： 、在r n gr 一模型中，湍流涡团粘性是通过微分方程得到，若令： 西华大学硕士学位论文 1 ，堕 p 根据重整化群理论，可得到有关湍流涡团粘性的微分方程： 从而使模型能较好处理从而使模型能较好处理从而使模型能较好处理在高雷诺 d ( 鲁) i l 7 2 考i 力 亿柳 其中，c 。；1 0 0 通过对上式积分，可获得对湍流传输随有效雷诺数或涡尺度变化关系的较 准确的描述，从而使模型能较好处理低雷诺数区或近壁区。对水轮机内部的流 动是高雷诺数流动，在高雷诺数时对上式的积分可获得与标准r 一模型一致的 结论：即 地一心，孚，常数c ，一o 0 8 4 5 ( 对标准r 一模型，c ，一0 0 9 ) 、有旋流修正： 若主流存在旋转因素或有旋流时，湍流特性一般会受到主流的影响。为了 在模型中考虑这一影响，对湍流粘性作如下修正： 胪叫q 詈) 其中，。为由舶；心，了i r 2 或式( 2 3 6 ) 计算得到，口，为一常数，可根据旋 度大小取值，q 为旋转特征数。 、有效普朗特数： 根据重整化理论，式( 2 3 3 ) ，( 2 3 4 ) q 繇数口。，a ；由下式确定： 4 1 3 9 2 9 i “6 3 2 1i 口+ 2 3 9 3 9 i “3 ”9肛 i i o i i ! ：一 l a o 一1 3 9 2 9 1i a o + 2 3 9 2 9 l, t 听 对高雷诺数流动，口。一口。一1 3 9 3 司 视为常数。 西华大学硕士学位论文 事实上，综合a b c 项修正，在高雷诺数时的r n gj r s 模型司写成： 尸鲁2 毒 ( + 尝) 剖+ g r 一， ， p 尝。毒n + 詈) 割托。詈g , ：- c 2 e p 孝一r c z 忽， 其中，地心。，常数为：c 1 。二1 4 2 c 2 。一1 6 8q o 7 2 盯，一0 7 5 c p = 0 0 8 4 5 。 2 、r 项修正 r n gr 一模型与标准j r s 模型间的主要区别在于r 项修正： r；啦i+fir， 眨：。， 其中，7 ；s x e ，卵。一4 3 8 ，卢= 0 0 1 2 。 这项修正的意义可以通过以下分析来说明：将方程的最后两项合并，可得： p 告，毒陋+ 丝o r t ) 毒】+ c - ，e ( g , ! + c 3 , g b 卜c + 卸譬q 砷 黼c + ：r 。+ 筹( 卜) 可见，当，7c 卵。时，( 对应低应变率区) ，r 项的增加使c ：。，c ：，其结果 是使p a n gr s 模型所得到的湍流涡团粘性比标准r f 模型所得的高；反之， 在高应变率区( 叩 叩。) ，r n gj r 一模型比标准j r 一模型所得的湍流涡团粘 性低。这样，r n gr 一模型考虑了高应变率或大曲率过流面等因素的影响， 从而提高了模型在旋流和大曲率情况下的精度。 3 、r e a l i z a b l ej f 一模型 在这里，“r e a l i z a b l e ”可译为现实型的或带旋流修正的，意味着模型要确保 西华大学硕士学位论文 在雷诺压力中要有数学约束，湍流的连续性。它是近期才出现的，其思想是 s h i h , t h 等人在1 9 9 5 年提出的。比起标准扣e 模型来有两个芏要的不同点： 、r e a l i z a b l e 】r 一模型为湍流粘性增加了个公式。， 、为耗散率增加了新的传输方程，这个方程来源于一个为层流速度波动 而作的精确方程。