（流体机械及工程专业论文）不同叶型的半开式叶轮离心泵的数值模拟与试验研究.pdf

摘要 矸式叶轮离心泵具有几乎连续不变的扬程流量曲线 即扬程在整个流量范围内变化很 小 广泛应用于石油 化工及航空航天等领域 虽然开式叶轮离心泵在一些场合发挥着重 要作用 但是效率有待提高 本文采用数值计算和试验的研究方法 对两种叶型的半开叶 轮对离心泵性能影响进行了研究 旨在了解叶型对离心泵内部流动情况以及外特性性能的 影响规律 为半开叶轮离心泵的优化和改进提供依据和参考 具体研究内容包括以下几个 方面 1 利用三维造型软件对两种叶型的半开式叶轮离心泵的过流部件进行了三维实体 建模 主要有诱导轮 直叶片半开式叶轮 弯叶片半开式叶轮 蜗壳 利用n u m e c a 软件 采用分块技术 蝶形网格 完全匹配等技术对过流部件生成六面体结构化网格 并给出边 界条件设置 2 采用雷诺时均n a v i e r s t o k e s 方程和s p a l a r t a l l m a r a s 模型湍流模型 在额定转速 2 9 0 0 r m i n 和低转速1 4 5 0 r m i n 两种转速工况下 分别对直叶片半开式叶轮和弯叶片半开式 叶轮离心泵内部流动进行了整机定常数值模拟 分析了叶型对离心泵过流部件的流动特性 及外特性性能的影响规律 3 对两种叶型的半开式叶轮离心泵在2 9 0 0 r m i n 和1 4 5 0 r r a i n 转速进行了试验研究 得到了直叶片半丌式叶轮 弯叶片半开式叶轮在不同转速工况下的离心泵性能曲线 并和 数值模拟结果进行了对比分析 关键字 半开式叶轮 低比转速 数值模拟 试验研究 a b s t r a c t t h ec e n t r i f u g a lp u m pw i t ho p e ni m p e l l e rh a sa l la l m o s tc o n t i n u o u sf l o w h e a dc u r v e t h a ti s t os a yt h eh e a dc h a n g e sal i t t l ew i t h i nt h ew h o l ef l o wr a n g e w h i c hi s w i d e l yu s e di no i l c h e m i c a l a e r o s p a c ea n do t h e rf i e l d s t h o u g hi tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nc e r t a i no c c a s i o n s t h e e f f i c i e n c ys h o u l db ei m p r o v e d i nt h i sp a p e r t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h m e t h o da r ea d o p t e dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to ft h es e m i o p e ni m p e l l e rw i t ht w od i f f e r e n tt y p e s o nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec e n t r i f u g a lp u m p t h ei n f l u e n c el a wo ft h eb l a d et y p eo nt h e p e r f o r m a n c ea n di n t e r n a lf l o wi nc e n t r i f u g a lp u m p sw i l lb er er e v e a l e d s ot h a ti tc a np r o v i d et h e b a s i sa n dt h er e f e r e n c ef o rt h ei m p r o v e m e n ta n do p t i m i z a t i o no ft h es e m i o p e ni m p e l l e r t h e d e t a i l e dc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s 1 t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gf o rc e n t r i f u g a lp u m pw i t hd i f f e r e n ts e m i o p e ni m p e l l e r si s c o m p l e t e db yp r o es o f t w a r e t h ef l o wp a r t si n c l u d ei n d u c e r s e m i o p e ni m p e l l e r 析t l l s t r a i g h tb l a d e s e m i o p e ni m p e l l e r 晰t 1 1b a c k w a r db l a d ea n dv o l u t e t h ep a s s a g eo ft h e c e n t r i f u g a lp u m pi sm e s h e du s i n gn u m e c as o f t w a r e t h em u l t i b l o c kt e c h n o l o g y w i n g g r i da n dw h o l em a t c h i n gt e c h n o l o g ya l eu s e dt og e n e r a t eh e x a h e d r a ls t r u c t u r e dg r i da n dt h e b o u n d a r yc o n d i t i o n sa r ea l s os e t 2 b a s e do nn a v i e r s t o k e se q u a t i o na n dt h es p a l a r t a l l m a r a st u r b u l e n tm o d e l t h es i m u l a t i o n t h ei n t e r n a lf l o wi nt h ec e n t r i f u g a lp u m p 析t l ls e m i o p e ni m p e l l e ro fs t r a i g h tb l a d ea n d b a c k w a r db l a d ei ss i m u l a t e da tt w od i f f e r e n tr o t a t i n gs p e e d s2 9 0 0 r m i na n d14 5 0 r m i n t h e i n f l u e n c el a wo ft h eb l a d et y p eo nt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c eo fc e n t r i f u g a l p u m pp a s s a g ec o m p o n e n t sa r eo b t a i n e db ys i m u l a t i o n 3 t h ee x t e r n a lp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t sf o rt h ed i f f e r e n ti m p e l l e r sa r ea l s oc a r r i e do u ta tt h e t w od i f f e r e n t r o t a t i n gs p e e d s2 9 0 0 r m i na n d 14 5 0 r m i n t h ep e r f o r m a n c ec u r v e so f s e m i o p e ni m p e l l e r sw i t hs t r a i g h tb l a d ea n db a c k w a r db l a d eu n d e rd i f f e r e n tr o t a t i n gs p e e d s a r eo b t a i n e da n dc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n k e yw o r d s s e m i o p e ni m p e l l e r l o w s p e c i f i c s p e e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n t a l s t u d y i i 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 课题来源与意义 第一章绪论 低比转速离心泵具有流量小 扬程高的特点在石油及化学工业 航空航天和航海工程 能源工程和车辆工程等国民经济各个部门都有广泛的应用 1 埘 低比转速离心泵的叶轮结构 主要分为丌式和闭式两种 闭式复合叶轮的扬程流量曲线稳定 开式叶轮与复合叶轮相比 效率偏低 但能够使低比转速泵具有几乎连续不变的扬程流量曲线 扬程在整个流量范围 内变化很小 3 1 开式叶轮低比转速离心泵在现代工业中有着广泛的应用 提高运行效率 稳定性以及扩大运行范围等方面有重要意义 因此有必要对开式叶轮离心泵在数值模拟和 试验方面展开研究 离心泵的叶轮内部流场是旋转流场 流体 叶轮和蜗壳三者相互作用十分复杂 对旋 转流场有着重要影响 内流场的流动状态会直接影响离心泵的性f l 皂t 4 9 1 目前通过对离心泵 内部流场进行研究来提高离心泵性能已成为关键手段之一 因此 针对离心泵内部流场特 性和离心泵能量损失机理进行研究分析 来提高离心泵的水力性能 从而提高离心泵设计 水平 推动离心泵行业的技术发展 因此 我们需要从宏观部分 对离心泵的外特性进行 研究 同时也要从微观部分 研究流体在离心泵内部的流动情况 掌握流体在叶轮内部的 流动特性 为离心泵优化和改进提供依据与参考 因此 如何正确有效地对泵的性能及流 场进行研究是提高泵性能的关键问题之一 随着计算机技术和流体力学等相关学科的快速发展 计算流体力学 c f d 技术逐渐 成为研究流体机械内部流动的主要方法之一 由于各种物理模型的改进和计算机计算能力 的快速发展 离心泵的数值仿真的精确性和可靠性逐渐得到提高 利用c f d 技术模拟离心 泵内部流场 通过对其内部流场进行研究分析来改进离心泵的设计 已成为提高离心泵的 性能关键途径之一 因此 本课题以不同叶型的半开式叶轮离心泵为研究对象 分别对直叶片半开式叶 轮和弯叶片半开式叶轮对离心泵性能影响进行研究 通过试验 研究不同叶型对半开式叶 轮离心泵性能的影响 通过数值模拟来研究不同叶型离心泵内部流场情况 总结出内部流 动变化规律以及一些影响离心泵性能的因素 通过对叶型对离心泵性能和内部流场的影响 的研究 将为改进叶片设计和提高低比转速离心泵性能提供参考和设计依据 本课题来源于国家自然科学基金项目 n o 5 0 9 7 6 1 0 5 不同叶片形状的开式叶轮离心 浙江理工大学硕士学位论文 泵内部流动特性研究 1 2 叶型对离心泵性能影响研究现状 叶轮是将能量传递给液体的部件 是泵最重要的工作部件 也是过流部件的核心 液 体流过叶轮时从叶轮处得到能量 于是液体的动能与压能均增大 叶轮对离心泵性能起着 非常大的作用 叶型对离心泵有着重要的影响 目前国内外学者针对叶型对离心泵性能影响进行了大量的研究 合肥通用机械研究所 高速泵课题组l lo 在叶轮形式对高速部分流泵水力性能的影响的研究中得出 叶轮外径相同 时 直叶片1 轮比后弯曲叶片叶轮产生较高的扬程 但其功率损失也较大 致使效率和后 弯曲叶片叶轮大致相等 张剑慈等 j 采用多块贴体网格技术 壁面函数和s a 湍流模型 对开式辐射形叶轮 开式弧形叶轮结构的两种高速离心泵叶轮内部流场进行了数值模拟 并对模拟样机进行了试验研究 研究得出 泵在相同的运行条件下 弧形叶轮流道内流场 优于辐射叶轮 8 叶弧形叶轮的内流场优于4 叶弧形叶轮 崔宝玲等 1 2 对轴向间隙为1 1 m m 的4 长叶片 4 长4 短叶片的两种半开式低比转速高速离心泵叶轮进行了研究 研究 得出 分流短叶片可以改善半开叶轮内部的流动 具有分流叶片的半开叶轮离心泵的扬程 和效率均有较高 说明分流叶片可以提高离心泵的性能 龙慧斌 l3 针对原设计泵的开式 叶轮构形式进行了多方案改进 通过对各模型泵内外特性的对比分析 研究分析了叶轮结 构形式对部分流泵性能的影响 结果表明斜叶片叶轮会使模型泵扬程系数减少 扬程曲线 陡降度增加 复合叶轮能够改善模型泵的扬程和效率 流量扬程曲线变平坦 罗先武等 1 4 1 6 对两个不同叶片倾斜角的微型泵叶轮模型进行了试验 发现对于半开式叶轮 朝压力面方 向以适当角度倾斜叶轮具有更好的水力性能 通过对比转速n 1 8 3 n 8 6 的离心泵不同 叶片入口宽度和安装角进行了数值模拟和试验研究 认为这两种叶轮入口的几何参数对离 心泵的性能有很大影响 蔡彬等 l 7 在设计低比速离心泵叶轮时 利用c f d 技术计算发现空 间叶片的汽蚀性能要优于圆柱叶片 证实了在流量相同的情况下 减少叶片数能够提高扬 程 耿少娟等 1 8 对无短叶 有长叶片和短短叶片三种不同叶轮的离心泵进行了非定常数值 模拟 对不同叶片离心泵在设计工况点的全三维流场进行了分析 给出了不同叶片形式对 离心泵扬程 进出口压力波动以及叶片表面 中央回转面等内参数分布的影响 黎义斌等 1 9 l 利用c f d 技术对两种不同长叶片 两种不同长短叶片和一种超短叶片的五个叶轮离心 泵进行数值模拟 分析了叶片数1 分流叶片在叶轮径向位置和周向位置对离心泵内流场与 整机性能的影响 万映娟等 2 0 利用c f d 技术对设计工况相同但分别具有圆柱形叶片和复 2 浙江理工大学硕士学位论文 合圆柱形叶片的两个叶轮离心叶轮进行了数值模拟研究 数值模拟得到的结果与理论分析 相吻合 认为设计比转速 为6 0 8 0 的离心泵叶轮时 复合圆柱形叶片叶轮的流动特性优 于匾柱形叶片叶轮 能够较好的改善离心泵的水力性能 李海锋等t 2 1 l 通过对两种离心叶轮 在设计工况和非设计工况下进行三维紊流数值模拟 得到了两种叶轮内的流速 压力场分 布 并预测了离心泵的效率 与试验结果进行对比分析表明三维扭曲叶片叶轮的速度场 压力场分布 效率等方面均优于圆柱叶片叶轮 赵希枫 2 2 对一比转速n s 1 3 1 8 7 离心泵在 不同叶轮入口宽度和叶片进口宽度情况下分别进行了数值模拟研究 研究认为离心泵叶轮 进口直径存在最佳值 对离心泵效率的提高和汽蚀性能的提高有重要的作用 但是增加叶 片进口宽度对比转数较高的离心泵外部性能和汽蚀性能的影响不是很显著 s h u h o n gl i u 等 2 3 对两个半丌式叶轮使用传统设计方法和改良后的设计方法设计 分别进行了试验和对 比分析 得出改良后的设计方法比传统设计方法设计出的叶轮具有更好的水力性能 h u a n g j u n x i o n g 掣2 4 j 利用c f d 技术分别对无分流叶片和有分流叶片的两个叶轮进行流场和噪声 方面的了非定常数值模拟研究 研究认为有分流叶片叶轮的主叶片表面局部压力脉动增 加 但是分流叶片表面压力脉动维持在一个较低水平 泵入口的压力脉动也比无分流叶片 时有效降低 认为分流叶片能够降低总体声压级 s o n gg u o l i a n g 掣2 5 j 利用c f d 技术分 别对有1 6 前弯叶片 1 6 直叶片 8 后弯叶片叶轮日本磁悬浮离心式血泵模型进行了数值 模拟 来研究不同叶形对离心泵的内流场以及性能的影响 研究发现1 6 直叶片叶轮比其 他两种叶型叶轮能产生较高扬程 1 6 前弯叶片对血液破坏最大 8 后弯叶片破坏最小 n i s h i y a s u y u k i 掣2 6 定量预测和分析了非稳态水力损失来提高单叶片离心泵的效率 对两个有不 同叶片出口角叶轮进行了研究 给出了出1 3 角与水力损失之间的关系 s a t os 等 2 7 1 利用5 个叶片入口角和出口角各不相同的叶轮对气液两相流离心泵进行了试验研究 研究发现 当增加叶轮的叶片入口角或出口角会使气体堆积 将引起泵扬程的突然降低 叶轮叶片有 较大出口角时 即使在气体堆积情况下离心泵仍然会有较高扬程 综上所述 国内外学者对不同叶型对离心泵性能影响做了一些研究 对离心泵叶轮的 设计参数对离心泵的性能影响进行了分析 但是专门针对不同半开叶型叶轮对开式叶轮离 心泵性能影响研究较少 主要是针对闭式或全开式叶轮的各种叶片形式对离心泵性能 内 流场以及噪声等方面进行的研究 1 3 离心泵的内部流动数值模拟研究现状 在离心泵的叶轮内部流动是复杂三维的湍流流动 由于受叶轮的旋转以及表面曲率影 3 浙江理工大学硕士学位论文 响 而且伴有脱流 回流及二次流等现象 是试验研究和数值计算的难点问题之一 近年 来 随着计算机性能的提高和计算流体力学c f d c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 快速发展 c f d 技术已成为研究各种流动问题的强有力的工具 通过c f d 技术对离心泵叶轮内部流场 分析研究 对叶轮等过流部件进行设计和优化 已成为现代水泵技术的重要手段之一 离心泵内部的数值模拟发展 经历了从无粘性到粘性 从二维发展到准三维 然后到 目前的全三维 2 引 早期对离心泵叶轮内部流动的分析 通常是直接从有限叶片的流体通道 出发 进行二维或者三维无粘性的位流分析 我国的吴仲华教授曾为此做过历史性的奠基 工作 i 2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初 开始出现将整个流场划分为粘性边界层区和无粘性主 流区的分区考虑计算方法 具有代表性的方法主要有 3 0 势流二边界层叠代求解法 射流 尾迹模型 涡量 流函数法等方法 2 0 世纪9 0 年代c f d 技术开始快速发展 流体机械内部 流场的数值模拟进入了三维粘性数值模拟新时期 全三维n a v i e r s t o k e s 方程是湍流计算的 基础 共有三种方法 直接模拟 d n s 大涡模拟 l a r g ee d d ys i m u l a t i o n 雷诺时均方 程法 这三种方法各有各自的特点 其中通过结合湍流模型直接求解雷诺时均方程 来计 算离心泵叶轮内部三维粘性流动已经成为离心泵内部流动数值模拟研究分析的主流 随着c f d 技术和流体力学的发展 全三维粘性流动分析技术日趋成熟 已经能够比较 正确预测流体机械内部的旋涡 脱流 尾迹等流动现象 已被广泛用来精确求解流体机械 内部复杂流动和预测性能 m a j i d ik 等 3 i j 基于标准的后啦两方程湍流模型对离心泵整机进 行了非稳态计算 g o n z a l e z j 掣3 2 1 基于标准肛8 湍流模型对蜗壳和叶轮间的相互作用进行了 非定常数值模拟研究 k w c h e a h p 3 i 等基于抽湍流模型对有六个扭曲叶片叶轮的离心泵 在设计工况和非设计工况进行了数值模拟 发现在非设计工况点叶轮和蜗壳流体液体有流 动不稳定现象 c o u t i e r d e l g o s h a 等p 4 j 基于b a l d w i n l o m a x 湍流模型对一个二维后弯叶片 离心泵叶轮进行了汽蚀方面的数值模拟 并与试验结果相对比 两者能够很好的吻合 e d u a r d ob l a n c o 等 3 5 1 基于标准肛s 湍流模型滑移网格技术对一后弯叶片离心泵进行了非定 常计算 用来研究叶轮与蜗壳的相互作用 并通过试验进行了验证 两者吻合情况良好 张剑慈等f 3 6 1 基于n a v i e r s t o k e s 方程和s a 湍流模型分析了低比转速开式叶轮高速离心泵优 化设计系统 认为采用加大流量设计方法可以设计出优异水力性能的低比转速开式叶轮高 速离心泵 柴立平等 l 利用s a 湍流方程和滑移网格技术对选取的直叶片开式叶轮和复 合直叶片开式叶轮离心泵进行了非定常数值模拟 研究了开式叶轮与蜗壳的动静干涉产生 压力脉动情况 结果显示复合直叶片开式叶轮的压力脉动峰值明显高于直叶片开式叶轮 但是峰值之间的波动幅度比直叶片开式叶轮的小 杨从新等 3 8 为了研究开式叶轮叶片不同 4 浙江理工大学硕士学位论文 进出口角对离心泵性能影响 利用缸s 湍流模型对一开式离心泵的进行了数值模拟研究 认为开式叶轮叶片具有合适的进出口角可以减小开式叶轮离心泵性能曲线的陡降程度 改 善离心泵的性能 邵杰等 3 9 采用d e s 模型分析了一半开式离心泵内部流动 通过与p i v 试验结果对比 结果证明采甩d e s 非定常流动模拟方法可以较准确预测半开式离心泵内部 流动情况 汤方平等f 4 0 1 利用加湍流模型对一闭式叶轮以及其相对应的半开式叶轮的内部 流场进行了预测 并与p i v 测试结果进行了对比 结果认为叶轮在最优工况下各叶片流道 的流动也仍存在明显差别 邵春雷等 4 l 采用滑移网格技术对设计工况下的离心泵内流场进 行了非定常数值模拟 结果表明离心泵内部流动具有非对称特性和非定常特性 离心泵出 口和叶片进口压力的波动对离心泵性能影响较大 吴大转等 4 2 采用滑移网格技术对快速启 动过程中的离心泵内部流动进行数值模拟 研究了离心泵在瞬态操作条件下的内部非定常 流动演化过程 结果表明基于非定常流动分析的瞬态外特性预测结果与实验结果能够较好 吻合 所采用的计算方法和得到的结果为瞬态操作条件下离心泵内部流动的诊断和优化建 立基础 张兄文等1 4 3 采用双重时间步方法对一离心泵内部流动进行了非定常流动进行了数 值研究 研究表明蜗壳中静压波动主要受叶片与蜗舌间的相互作用影响 动压主要受 射 流 尾迹 结构影响 董亮等m 对6 台不同转速下离心泵的内部流场进行了叶轮与蜗壳的耦 合数值模拟 并对离心泵进行了性能预测 指出不同转速下泵内部流场相似 离心泵相似 律计算的扬程结果具有比较高的精度 但轴功率的计算精度相对较低 马鹏飞 4 5 基于标准 加湍流模型对模型泵进行了8 种不同转速的内部流场进行了数值模拟 验证了流场的相似 程度 并比较了离心泵相似率计算结果与数值模拟结果 以上可以看出国内外学者对离心泵内部流动的数值模拟研究取得了很大进展 有些 研究成果已经应用到设计方法中 随着测试技术 计算技术等的发展 必将进一步推动离 心泵内部流动数值模拟研究 1 4 离心泵试验研究现状 离心泵的试验对于离心泵的研究与开发 设计生产 应用都具有重要意义 只有对离 心泵进行试验 才能完全确定离心泵的各种性能曲线和对离心泵中的流动有完全的了解 离心泵的性能曲线主要有h q 扬程 流量 曲线 珂 q 效率 流量 曲线以及 q 功率 流量 曲线 这些曲线能够全面 综合 直观地显示出离心泵的性能 由于离心泵 的试验结果数据通常是离心泵在某个特定工况的离散值 为了获得离心泵在全工况下的性 能曲线 充分了解离心泵的性能 以提高性能 效率为目标 许多学者针对离心泵性能进 s 浙江理工大学硕士学位论文 行了大量的试验研究 朱祖超 8 4 6 1 对不同叶轮低比转速高速离心泵外特性与汽蚀性能的试 验研究 认为合理设计诱导轮和采用长 中 短相间的闭式复合叶轮等措施能够使低比转 速高速离心泵获得稳定的扬程流量特性曲线 试验表明采用半开式叶轮的高速离心泵比采 用开式叶轮高速离心泵效率偏高 但扬程系数偏低 关醒凡 4 7 1 对各类泵的试验装置系统 泵的各种性能参数的测量获取以及试验结果处理等各方面进行介绍 查森h 引 周德峰 4 9 等通过大量的试验研究 研究几何参数对泵性能的影响规律寻找可以提高泵效率的途径 朱国华 5 0 通过试验对叶片出口厚度和形状等参数对扬程曲线的影响进行了研究 提出了降 低扬程曲线驼峰的有效方法 袁寿其 5 l 在正交试验的基础上的研究表明离心泵主要几何参 数对离心泵最大轴功率及其流量点的影响 并修正了离心泵最大轴功率值及其流量点的计 算公式 在离心泵变速特性方面的研究 裴毅等 5 2 1 试验研究了开式和闭式试验管路对系统中改 变转速离心泵性能的影响 试验结果显示两系统离心泵的性能参数变化不同 开式系统中 离心泵受到了丌式管路系统进出口水面水位差的影响 工作点向小流量区偏移 杨晓珍 5 3 j 通过试验得到不同比转数离心泵在不同转速下的性能变化规律 对使用离心泵相似律换算 出的扬程和功率进行了误差分析 并提出最高效率换算的经验公式 张文涛等 5 4 对某一采 用离心泵调速运行系统进行分析 结果表明离心泵泵调速运行能够提高离心泵泵的运行效 率 达到降低能耗目的 王龙 5 5 对某一离心泵在变转速条件下 从定扬程角度建立出离心 泵另一类特性曲线9 进行分析 在对离心泵常规特性曲线9 日和q n 曲线数学拟合的 基础上 对q n 曲线进行了数学解析 当前科学技术正在经历以光电子和计算机技术为核心的快速发展时期 新的技术 新 的产品和新的信息快速形成与发展 与科学技术进步密切相关的流体力学试验及模拟技术 也随之快速进步 在进行非定常 空间 多参量 无接触 快速 定量的测试方面有了长 足发展 具有代表性的光多普勒测速 l d v 技术粒子图像测速 p i v 等技术已广泛应用于 流体机械的测试中 这些先进技术己成为现代研究流体机械内部流场的一种先进测试手段 5 6 6 0 1 1 5 本文的研究目标和研究内容 本文以不同叶型的半开式叶轮离心泵为研究对象 采用数值模拟和试验相结合的方 法 研究不同转速下直叶片和弯叶片两种叶型半开式叶轮对离心泵性能的影响 通过数值 模拟研究模型泵内部流动情况 分析不同叶型对离心泵内部流场的影响 通过离心泵性能 6 浙江理工大学硕士学位论文 试验 得出不同叶型泵的性能曲线 研究叶型对离心泵性能的影响 通过试验结果与数值 模拟相比较 验证采用的数值模拟方法的正确性 本文的研究主要包括以下几部分 第一章 介绍了叶型对离心泵性能影响的研究现状 概述了离心泵内部流动数值模拟 和离心泵试验研究的现状 在此基础上提出了本文的主要研究内容 第二章 利用三维造型软件对两种叶型叶轮离心泵的过流部件进行了三维实体建模 主要有诱导轮 直叶片半开式叶轮 弯叶片半开式叶轮 蜗壳 采用多块网格 蝶形网格 完全匹配等技术对过流部件生成六面体结构化网格 并给出边界条件设置 第三章 采用雷诺时均n a v i e r s t o k e s 方程和s p a l a r t a l l m a r a s 模型湍流模型 分别对直 叶片半开式叶轮和弯叶片半开式叶轮离心泵内部流动进行了整机定常数值模拟 对比分析 了在额定转速2 9 0 0 r m i n 和低转速1 4 5 0 r m i n 两种转速工况下过流部件的流动规律及数值模 拟的性能曲线 第四章 对两种叶型半开式叶轮离心泵在2 9 0 0 r m i n 和1 4 5 0 r m i n 两种转速下进行了试验 研究 得到了直叶片半丌式叶轮 弯叶片半开式叶轮在两种转速工况下的离心泵性能曲线 并和数值模拟结果分布进行了对比分析 第五章 概括性地总结了本文各章所得到的若干结论 并对目前存在的问题以及今后 的工作提出了具有指导性的建议 7 浙江理工大学硕士学位论文 第二章半开式离心泵数值模拟的计算方法 c f d 技术已被广泛的应用于流体机械的内部流动的研究中 利用c f d 技术对离心泵 内部复杂三维流动的进行研究 能够预测离心泵性能提供优化参考 减少对试验数据和设 计经验的依赖 已成为工程技术人员新产品设计与开发 优化与改进的重要手段之一 开式叶轮离心泵内部流场流动复杂 离心泵的内部流动情况最终会反映在离心泵的性 能上 对离心泵的性能有很大影响 因此有必要对其内部流场进行研究分析 掌握离心泵 内部流动特征及能量损失发生机理 将为开式离心泵优化设计改进性能提供参考 本文使用n u m e c a 公司的商业软件f i n e l m t u r b o 对两种不同叶型的半开叶轮离心 泵进行了定常整机数值模拟 本章将着重介绍模型离心泵的几何参数与三维造型 网格的 划分以及边界条件的设定 2 1 半开式离心泵的几何参数与三维造型 本文主要针对两种叶型的半开叶轮离心泵进行研究 半开式离心泵的设计参数见表2 1 这两种叶型的半丌叶轮均有8 叶片 一个叶轮为半开直叶片 一个为半开后弯叶片 叶项 间隙为l m m 主要几何参数见表2 2 其中6 l 和6 2 为叶轮的进出口宽度 l 和屈为叶轮 的进出口角度 d 1 和眈为叶轮的进出口直径 z 为叶片数 图2 1 为两种叶型半开叶轮结 构示意图及叶顶间隙示意图 表2 1 主要设计参数 表2 2 半开叶轮主要几何参数 浙江理工大学硕士学位论文 2 2 数值模拟计算方法 a 直叶片叶轮 b 弯叶片叶轮 c 叶顶间隙 图2 1 两种叶型半开叶轮结构及叶顶间隙示意图 2 2 1 控制方程组 控制方程是物理守恒定律的数学描述 流体流动所遵守的物理守恒定律为 质量守恒 定律 动量守恒定律 能量守恒定律 三个定律的控制方程组成的方程组 组成流体动力 学基本方程组n a v i e r s t o k e s 方程组 本文使用的商业计算流体力学软件n u m e c a 中的计 算模块f i n e 8 7 3 的控制方程雷诺时均n a v i e r s t o k e s 方程在旋转坐标系下采用笛卡尔参考 坐标系表示 通用表达式如下 6 1 1 i a u v 互 v r q 2 一 1 西 1 一 式中 q 为源项 包含离心力和科氏力的作用 正为无粘性通量 r 为粘性通量 u 为待求解守恒变量 上述矢通最表达式如下所示 浙江理工大学硕士学位论文 u p 户川 p p 心 p e p w p a p w f i t fp 嘎 p w w 2 o q l 一吒 li t 3 w q 2 一 2 乏 p 2 t o x w tol c 2 一c 3 妒 l 删 j 2 0 0 0 0 0 il p 铲0 0 0 01 1 3 0 0 0 0 0 k 1 2 0 0 0 0 0 r 0 0 180 黧00 l 小0 0 0 0 0 俐 o o o o o r 1 3 0 0 0 f c 直叶片叶轮总压分布 d 弯叶片叶轮总压分布 图3 3 半开叶轮压力分布 直叶片叶轮与弯叶片叶轮流道内压力分布比较均匀 但两者有明显区别 弯叶片叶轮 同一流道的相同半径位置 压力面与吸力面的压力差更大 为了进一步对压力面与吸力面的压力差进行比较 对两种叶型半开式叶轮的部分叶片 a b c d 在中间截面相同半径上的载荷分别进行了对比 这四个叶片在半开式叶轮的 位置见图3 1 载荷表示作用在流道内流体上叶片压力面与吸力面的压力差 载荷定义为 几 易为叶片压力面的压力 只为叶片吸力面的压力 图3 4 为不同叶片的载荷在 叶轮半径上的分布图 罡 芷 浸 筇 之 蟹 a 叶片a 2 l 浙江理工大学硕士学位论文 半径r i m b 叶片5 半径r m c 叶片c 半径r i m d 叶片d 图3 4 半开叶轮叶片载荷分布 由图3 4 可以看出 弯叶片叶轮的a b c d 四个叶片的载荷整体上比直叶片高 2 2 一t芷q迄鲻弋邕 日山疋q擐筇文邕 再乱芷q稼餐弋兰 浙江理工大学硕士学位论文 这与图3 3 叶轮压力分布云图所显示的相吻合 弯叶片上的载荷曲线沿半径方向上先升高 后降低 约在r 0 0 7 0 0 8 矗处产生最大值 直叶片上的载荷曲线沿半径方向上幅值变化 较小 曲线有缓慢上升趋势 约在r 0 0 9 m 处载荷开始下降 由数值模拟结果可知 弯叶 片叶轮a 叶片上的平均载荷为5 7 7 2 6 2 7 p a 直叶片叶轮a 叶片的为2 4 0 3 4 6 4 p a 比弯叶片 叶轮a 叶片的平均载荷低5 8 弯叶片叶轮b 叶片上的平均载荷为5 2 5 2 3 0 2p a 直叶片 叶轮b 叶片的为1 0 9 1 6 6 4i a 比弯叶片叶轮b 叶片的平均载荷低7 9 弯叶片叶轮c 叶 片上的平均载荷为5 4 8 6 2 1 7 p a 直叶片叶轮c 叶片的为9 7 5 0 1 6 p a 比弯叶片叶轮c 叶片 的平均载荷低8 2 弯叶片叶轮d 叶片上的平均载荷为5 7 5 8 2 1 s p a 直叶片叶轮d 叶片 的为1 0 4 2 8 2 9 p a 比弯叶片叶轮d 叶片的平均载荷低8 2 可见弯叶片叶轮的叶片上的载 荷比直叶片叶轮的大很多 3 1 1 2 叶轮出口压力 图3 5 为两种叶型叶轮出口中间截面的静压和总压分布 横坐标为图3 1 所示的由0 0 开始逆时针方向上角度值的变化 厶 芘 趣 角度引 o a 静压分布图 浙江理工大学硕士学位论文 角度研 o b 总压分布图 图3 5 半开叶轮中间截面出口压力图 从图中可以看出 叶轮的静压 总压均呈周期性波动 均有8 个波峰与波谷 压力沿 着逆时针方向即叶轮旋转方向逐渐上升 这是由于蜗壳为等截面环形蜗壳 叶轮出v i 的流 体沿叶轮旋转方向受到挤压逐渐增强引起的 两叶轮出口在蜗壳喉部 0 0 3 6 0 0 附近均有 较大的压力梯度 说明流体在蜗壳喉部区域流动复杂 压力脉动剧烈 直叶片叶轮出口的静压和总压最大值均位于蜗壳喉部位置 即出现最大波峰值 而弯 叶片叶轮此处的静压和总压呈相反趋势 静压和总压值的峰值均小于之前的波峰值 可见 蜗壳喉部对两叶轮出口流动均有较大影响 图3 5 a 所示 弯叶片叶轮出口静压整体上 比直叶片叶轮高 从图3 5 b 可以看出 弯叶片叶轮出口总压整体上又比直叶片叶轮低 弯叶片叶轮出口平均静压为3 7 2 7 6 5 5 p a 平均总压为5 3 0 3 0 2 8p a 平均静压与总压之比为 0 7 0 直叶片叶轮出口平均静压为3 4 6 3 8 1 2 p a 平均总压为6 1 3 1 5 3 3 p a 平均静压与总压之 比为o 5 6 通过比较可以看出 弯叶片叶轮产生的静压能在叶轮的总能量头中所占的比例 比直叶片叶轮大 这有利于减少水力损失 提高离心泵的效率 这是由于弯叶片叶轮的反 击系数比直叶片叶轮高 反击系数与叶片出口角 0 2 有关 0 2 图3 1 8 低转速下叶轮中间截面出口相对速度大小 3 6 浙江理工大学硕士学位论文 通过与图3 8 额定转速下叶轮出口相对速度大小相比较可以看到 低转速下两叶轮出 口相对速度大小分布与额定速度下基本类似 不同之处为直叶片叶轮出口的速度波动从波 峰至波谷处的震荡减少 直叶片叶轮出口速度大小在9 m s 1 4 m s 之间波动 弯叶片叶轮出 口速度大小在7m s 1 2m s 之间波动 与额定转速相比 两者出口相对速度大小均整体减 少 这符合离心泵内部流动规律 3 2 2 诱导轮内流动分析 3 2 2 1 压力分布 图3 1 9 为直叶片叶轮离心泵和弯叶片叶轮离心泵前置诱导轮的静压系数云图 图3 2 0 为吸力面静压系数云图 通过与额定转速下两离心泵诱导轮的静压系数分布比较可知 压 力面和吸力面的压力分布规律基本相似 不同之处是两种叶型叶轮离心泵的诱导轮叶片压 力面前缘部分较大压力区域分布范围均变大 吸力面尾部低压区域也变大 如果在低压区 域发生汽蚀 在叶片前缘产生的气泡随着流体在诱导轮旋转的离心力作用下 会向外压 使气泡在诱导珍外缘凝结 从而不会使整个流道发生堵塞的现象 进而可以提高离心泵的 抗汽蚀性能 但是在尾缘部分产生的气泡会随着流体进入叶轮 对离心泵的抗汽蚀不利 1 廖 7 罗 i i 了厂1 卜 广 j 卜 誓 7 蕾 爨 1 a 商叶片离心泵 h 弯叶片离心泵 幽3 1 9诱导轮压力面 总瓜分布 a 直叶片离心泵 b 弯叶片离心泵 图3 2 0 诱导轮吸力面总压分布 3 7 川 网 浙江理t 大学硕士学位论文 数值模拟结果显示 直叶片叶轮离心泵诱导轮叶片静压系数分布在一0 0 2 7 1 0 0 2 3 0 之 间 弯叶片叶轮离心泵诱导轮叶片压系数分布在 0 0 3 4 1 4 0 2 8 3 之间 两者静压系数相差 也较小 可见在低转速工况下叶型的不同对本模型泵诱导轮内部流体流动的影响也较小 通过与额定转速情况下比较可知 在数值范围上 低转速下两离心泵的吸力面和压力面静 压系数范围变大 即在低转速下诱导轮内流场最小静压系数变小 最大静压系数增大 3 2 2 2 速度分布 图3 2 1 戈两种叶型叶轮离心泵的诱导轮内部流场中间截面不同位置的沿流动方向相 对速度大小分布 从轮毂至叶片外沿径向方向选取1 0 5 0 9 0 三个位置对两诱导轮 相对速度进行了比较 图3 1 1 a 为选取位置示意图 图中横坐标为相对长度歹 定义与 3 1 2 中描述相同 图3 2 1 显示 1 0 位置弯叶片叶轮离心泵的诱导轮内部流道沿流动方向相对速度大小 分布在o 6 6r r d s 1 5 6m s 之间 直叶片叶轮离心泵相对速度大小分布在0 6 7 m s 1 2 9m s 之间 5 0 位置两者分别分布在o 8 2 m s 1 7 3 m s 和0 8 2 m s 1 6 5 m s 之间 9 0 位置两者 分别分布在1 1m s 1 9 1m s 和1 1 3m s 1 9 5m s 之间 通过与图3 1 1 额定转速下诱导轮叶片中间流面相对速度大小分布比较可知 低转速下 的相对速度大小分布与额定转速是相似的 在数值范围上均整体下降 这也符合离心泵内 部流动规律 芝 e 至 掣 剃 簧 毒 相对长度i a l o 位置相对速度大小 浙江理工大学硕士学位论文 望 e 至 型 浏 盏 垂 芝 e 至 捌 剥 簧 相对长度f b 5 0 位置相对速度大小 相对长度歹 c 9 0 位置相对速度大小 图3 2 1 诱导轮叶片中间流面相对速度大小 3 2 3 蜗壳内流动分析 3 2 3 1 压力分布 图3 2 2 为两种叶型叶轮离心泵蜗壳垂直的截面内的压力分布 截面左侧为前盖板 靠近叶轮叶顶间隙部分 右侧为后盖板 四个截面在离心泵的具体位置如图3 1 所示i i i i i i i v 处 3 0 浙江理工大学硕士学位论文 通过与图3 1 2 额定转速蜗壳截面压力分布比较可知 低转速下的压力分布与额定转速 是相似的 静压均由蜗壳进口至蜗壳内壁面增加 蜗壳截面上的压力非对称分布 靠近截 面左侧受叶顶间隙影响存在小范围低压区域 略有不同的是两离心泵蜗壳入口的低压区域 分布有所范围变小 网 3 4 x j o a 直叶片离心泵截面i b 弯叶片离心泵截面j 氏 驷 一 j z 铷l l k 鋈交蠡盔遨鼬圈 塑翌 c 直叶片离心泵截面i i d 弯叶片离心泵截面i l r 主 c 直叶片离心泵截面i i s t a rcp r 一l i i i 藤 b 0 0 0 降i i 舅 融 瑚 p r e s s u r ef p a l 一一 1 0 t j o 辛 兰灌 f 弯叶片离心泵截面n l g 直叶片离心泵截面i v h 弯叶片离心泵截面 图3 2 2 低转速下蜗壳截面压力分布 一 鼷 j w l 妒 1 一 o 姒慝 i l 罩 瑚 肼 m 三 m 瑚 瑚 o 竹 螂 呻 浙江理工大学硕士学位论文 3 2 3 2 速度分布 图3 2 3 为两种叶型叶轮离心泵蜗壳四个截面速度流线图 截面左侧为前盖板 靠近叶 顶间隙部分 右侧为后盖板 四个截面在离心泵的具体位置如图3 1 所示i i i i i i i v 处 通过与图3 13 额定转下速蜗壳截面速度流线图比较可知 低转速下蜗壳截面速度分布 与额定转速是相似的 略有不同之处是直叶片叶轮离心泵蜗壳截面靠近蜗壳壁面位置的旋 涡范围比额定转速小 入口处的旋涡则受其挤压变小 范围较额定转速变大 霄瓤 a 直叶片离心泵截面l c 直叶片离心泵截面i i b 弯叶片离心泵截面l 4 d 弯叶片离心泵截面i i e 直叶片离心泵截面i l l f 弯叶片离心泵截面 4 1 浙江理工大学硕士学位论文 g 直叶片离 f i 泵截面 鬣 4 j 一 一一 j h 弯叶片离心泵截面 图3 2 3 低转速下蜗壳截面速度分布 3 3 不同转速下离心泵性能预测 离心泵的外特性曲线能够全面 直观 综合地表示泵的各项重要性能 为了研究两种 叶型的半开式叶轮离心泵的外特性 本文在2 9 0 0 r m i n 和1 4 5 0 r r a i n 两个转速下在o 4 q 0 6 q 0 s q 1 0 q 1 2 q 共5 个工况点对离心泵运用数值模拟方法进行了计算 得到两台 离心泵的各个流量点下的扬程日和效率瑁计算结果 根据数据绘制出两台离心泵的流量扬 程q h i 曲线和流量效率q q 曲线 对两种叶型的半开式叶轮离心泵的外特性性能进行预测 根据数值模拟得到的离心泵的进出口总压差 对离心泵的扬程进行预测 离心泵的扬 程计算表达式如下所示 h 心l p g a z 3 1 上式中 胆 泵进e l 与出口压力差值 p a 卜蜗壳出口与叶轮进口之间垂直方向上距离 m 离心泵的效率按如下公式计算获得 等 3 2 r 二 d l 式中 4 只 离心泵进出口的总压差值 p a m 离心泵质量流 k g s p 介质的密度 k g m 3 角速度 r a d s 4 2 浙江理工大学硕士学位论文 丁 离心泵转矩叫 m 图3 2 4 为不同转速下直叶片与弯叶片半开式叶轮离心泵的性能预测曲线 其中图3 2 4 a 为2 9 0 0 r r a i n 下离心泵的性能预测曲线 图3 2 4 b 为1 4 5 0 r m i n 下离心泵的性能预 测曲线 由图可以看出 两种叶型的半开式叶轮低比转速离心泵均体现出了流量小 扬程 高的突出特点 不同转速下泵的性能预测曲线基本都遵循开式低比转速叶轮离心泵性能曲 线变化规律 e 至 零 e 芏 乏 寒 流量口 m a 2 9 0 0 r r a i n 离心泵的性能预测曲线 流量q m 3 h b 1 4 5 0 r r a i n 离心泵的性能预测曲线 图3 2 4 不同转速下离心泵的性能预测曲线 4 3 浙江理工大学硕士学位论文 由图3 2 4 a 可以看出 额定转速下两种叶型的半开式叶轮离心泵的扬程整体上随 着流量增加波动不大 符合开式低比转速离心泵的扬程在整个流量工作范围内变化很小 扬程流量曲线几乎为一条直线这一重要特点 在设计点流量q 3 m 3 h 之前 直叶片叶