【高效水力模型分析1900字】

高效水力模型分析本文首先通过给定的航空高速冷却泵的基本设计参数，通过对水力模型的设计方法研究得到了一套高效水力模型设计参数。随后进行二维平面图的设计，以此基础上进行三维建模得到完整的叶轮和蜗壳的模型。所采用的设计方法是在原有加大流量法基础上，针对加大流量法设计出的低比转速高速泵水泵尺寸大、功率大、小流量工况产生不稳定的现象，提出将其设计流量点前移，设计扬程增大，并以此点为设计点进行设计。加大流量法的指导思想是：对给定的设计流量和比转速进行放大，用放大了的流量和比转速来设计泵，从而使泵在设计点的效率有较大幅度的提高，并且能够提高设计点附近范围内的平均效率，其设计原理如图2.1所示。而新设计方法的指导思想是：将给定的设计流量和比转速进行缩小，用缩小的流量和比转速采用加大流量法来设计泵，这样能使整个小流量区间的整体效率得到提升，其设计原理图如图2.2所示。图2.1加大流量法设计原理图Fig.2.1Designschematicdiagramofincreasedflowmethod图2.2新设计方法设计原理图Fig.2.2Designschematicdiagramofnewdesignmethod加大流量设计的目的是提高低比转速泵的效率，它的基本原理是低比转速泵的效率随流量的增加而迅速增加，其实质是将一台具有较大设计流量的大泵在较小流量处使用，其方法是综合考虑设计工况和最佳工况的一种优化设计方法。加大流量设计的基本方法，是在大量试验研究的基础上，通过对相关系数的修正，使之适合于加大流量设计，然后用修正过的系数，充分考虑设计指标和各几何参数，设计出较合理的流动组合和各几何参数。公式如式（2.1）和式（2.2）所示：(2.1)(2.2)本文所研究的航空冷却高速原型泵的基本设计参数如表2.1所示。首先采用三维设计软件CFturbo基于加大流量设计法进行设计,叶片形状采用自由三维，叶片包角为120°。通过《低比转速离心泵理论与设计》确定放大系数为1.2，介质选用清水，同时与传统设计方法设计出来的泵相比较。表.2.1原型泵主要设计参数Tab.2.1Maindesignparametersofprototypepump设计流量Qd（m3/h）转速n（r/min）扬程H（m）0.0036711000132图2.3及2.4所示为分别采用加大流量设计法和传统设计方法的流量-扬程以及流量-效率曲线对比图（基于CFD模拟结果，具体数值模型将在后面章节介绍）。由图可知，与传统方法相比在1.2Qd时采用加大流量法设计的泵扬程为129m，效率为0.89；而传统设计方法设计的泵扬程为123m,效率为0.86。采用加大流量法设计的泵高效区更宽，在大流量时加大流量设计法能获得更高的效率。但是在小流量区间，采用加大流量设计法设计的泵的效率下降很快，低于传统设计法的泵效率。例如，在0.8Qd时，传统设计的效率为0.81，而加大流量设计的泵效率仅为0.78。图2.3流量-扬程对比Fig.2.3Comparisonofflow-head图2.4流量-效率对比Fig.2.4Comparisonofflow-efficiency针对上述情况，若将其设计点流量前移，同时采用加大流量法，这样在小流量区间预期会得到更高的效率。故将其设计点前移至0.85Qd进行设计，并与原设计进行对比。图2.5和2.6所示为前移设计流量后所得的流量-扬程以及流量-效率曲线对比图。由图可知，整个效率曲线向前平移，满足偏小流量较高水力效率的要求。但是此时扬程在1.0Qd时不满足设计要求（因为此处已不是设计点）.为了增加设计点的扬程，可以增加叶片出口角或者增加在0.85Qd的设计扬程（此时1.0Qd相当于大流量工况）。模拟结果表明：如果出口角太大，则在相同流量下叶轮出口速度v2会增加，并且压水室的水力损失会增加，且在小流量下冲击损失增加，容易使特性曲线出现驼峰。当β2增大时叶片间相对流动扩散严重，扩散损失越严重；故放弃第一种方法，选用第二种方法。这样仍可以获得高效率的工作区。图2.5流量-扬程对比Fig.2.5Comparisonofflow-head图2.6流量-效率对比Fig.2.6Comparisonofflow-efficiency按照增加设计点扬程的要求，选取了四组扬程值进行对比研究，分别为132m，135m，137m，141m；按照流量设计点前移并加大流量进行设计，进而进行数值模拟。图2.7-2.8是不同设计扬程得到的外特性曲线。当设计扬程增加到141m时，其在原始设计点扬程约为135m，达到设计要求。小流量区间效率保持为较高水平。图2.7流量-扬程对比Fig.2.7Comparisonofflow-head图2.8流量-效率对比Fig.2.8Comparisonofflow-efficiency最后，三种设计方法的扬程-流量曲线对比图如图2.9所示，由图可知三种设计方法扬程随流量变化趋势是一致的。在设计流量工况下三种设计方法的扬程均满足设计条件，在偏小流量工况下新设计方法的扬程比加大流量法和普通设计均高；而在大流量工况下，加大流量法的扬程比普通设计和新设计方法均高。三种设计方法的效率-流量曲线对比图如图2.10所示，可以很明显的反应出新设计方法在特定工况下的优势。当处于小流量工况时，新设计方法的效率比普通设计和加大流量设计均高，普通设计比加大流量设计法要高，这也是加大流量设计法的弊端之一。考虑到一般航空冷却液循环泵在额定工况及偏小流量实际运行，故采用新设计方法设计的水力模型具有更好的整体效率。图2.9流量-扬程对比Fig.2.9Comparisonofflow-head图2.10流量-效率对比Fig.2.10Comparisonofflow-