冲压焊接离心泵叶轮及蜗壳耦合特性准非定常数值模拟

1件下的流动特点，分析了叶轮和蜗壳之间的耦合特性与离心泵性能的内在关系，并通过试验验证了数值预测的可靠性。在此基础上提出冲压焊接离心泵性能优化目标和措施。本文在初步水力设计、数值模拟和试验研究的基础上对冲压焊接离心泵进行了研究和总结，主要研究1.采用准非定常模拟冲压焊接离心泵过流部件内部流场。除了大流量工况，隔舌附近有一个低压区随着叶轮及蜗壳相对位置变化逐渐增大；小流量工况时，叶轮流道内发生了严重的回流和二次流现象；大2.对比了叶轮和蜗壳耦合面周向静压分布和径向速度分布规律，蜗壳周向不同位置时静压对流量变化的敏感性不同：最大静压和最小静压值一般发生在第IV断面到隔舌区域之间，由于蜗壳隔舌对叶轮出口3.基于准非定常对冲压焊接离心泵进行性能预测。在叶轮与蜗壳不同相对位置时，扬程、水力功率和水力效率预测值均出现了明显的波动；性能预测与试验结果对比表明：设计工况时准非定常性能预测具有很好的预测精度，非设计工况时性能预测的最大偏差在10%范围内。关键词：耦合特性，冲压焊接，准非定常，数值模拟，优化fthebasisofanalyseoftherelationshipbetweenimpeller-volutecouplingvalidatedbyexperiments.Atlast,inviewoftherefluxandseparBasedonhydraulicdesignandthen1.Bymeansofthe“frozenrobetweenimpellerandvolutearesimulatedusing3-Dquasi-swiththevarietyofimpellerandvoluterelativtherangeofsectionIVandthetongue;becauthetongueandtheflowfieldofimpelleroutlet,thestaticpressurevalues3.Thequasi-steady-basednumericalpredictionisadoptedstamping-weldingcentrifugalpump.Inthedifferentrelativepositionspowerandhydraulicefficiencyarefluctuatedobviously;Incomwithperformancepredictionandexperiments,thequasi-steadyandundertheoff-desperformancepredictionan4.Theradialforcemathematicalmodelofstamping-weldingcentrifugalpumpisestablished.Themaximalradialforceoccurscondition.Underthelo5.Onthebasisofnumericalsimulatioandmainmeasuresarebroughtfpumpareimproved,andthedesignrequirementsofnon-overload学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□,在年解密后适用本授权书。本学位论文属于学位论文作者签名：指导教师签名：本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。1第一章绪论1.1研究背景、目的及意义流体机械是以流体为工作介质与能量载体、以叶轮为主要工作元件，通过工作元件与工作介质的相互作用以实现流体的能量与机械能有效转换的机械。流体机械广泛应用于国民经济和社会生活的各个领域，随着科学技术的进步和经济的发展，对流体机械的性能要求越来越高。研究流体机械内部流场结构和能量传递损失的发生及其相互作用机制，以提高效率，扩大使用工况范围及提高运行的可靠性，可为改善流体机械性能提供试验和理论依据。目前的离心泵一维或二维设计方法可以设计出完全满足需要的铸造叶轮和蜗壳，针对冲压焊接离心泵叶片薄且表面光滑的特点，试验表明常规的一维或二维2设计方法不适用于冲压焊接离心泵过流部件的设计，针对冲压焊接离心泵水力设计，国内外很多学者做了大量研究，蔡保元教授吸收了低比转速铸造泵、高粘性离心泵和两相流泵的研究成果，建立起一套适合冲压成型离心泵的设计理论和设计方法，以解决低比转速离心泵设计中存在的偏工况、高比转速低用和效率曲线1.2流体机械内部流动数值模拟研究现状和进展1.2.1流体机械内部流动数值模拟现状由于计算能力和湍流的复杂性以及流场对象的多样性，自1883年Reynolds3流模型和模拟非线性涡的影响，以及获得不同湍流模型较准确适用范围是目前壳的非对称性而导致叶轮与蜗壳的相互作用时会引起整个流场非对称的流动特4果表明：该方法计算量小，且能获得一定程应的蜗壳进口非均匀流动。文献16中使用基于时间推进法的Jameson格式计算方法，求解了时均N-S方值模拟。研究表明，在蜗壳各径向截面上都存在着一个旋转方向相反、强度交替变化的涡对，该涡对会随着径向截面位置与蜗壳运行工的变化发生复杂的变化，对该涡对演化细节的研究有助于探讨蜗壳内流动损失的一些机理。1.2.2离心泵叶轮和蜗壳耦合特性数值模拟现状和进展实际流动中粘性不可忽略以及叶轮有限叶片数带来的蜗壳进口的非均匀性使得传统方法很难获得对蜗壳内流动的精确描述，单一蜗壳数值模拟不能克服进口参数非均匀性的局限性，而且全流场计算进出口边界条件容易给定，因此基于吸5对双吸离心泵进行了三维全流道定常湍流计算并研究双蜗壳内部流动规律，计算扬程和设计扬程吻合比较好，表明该方法可较好地模拟非均匀进口条件的双蜗壳内部流动，能够预测双蜗壳内部水力性能和结构的关系，提高其水力性能。Blanco-Marigortaetal.21研究了蜗壳几何参数和相对位置对叶轮和蜗壳的影61.3冲压焊接离心泵结构特点及研究方法冲压成型叶片图1.1冲压焊接离心泵叶片及前、后盖板3.冲压焊接离心泵叶轮具有节材、环保、节能等优点，可以通过自动流水线进行冲压、焊接，可以控制离心泵叶轮等的加工精度，提高产品的质量：而铸造7离心泵叶轮等采用常规铸造方法，产品的精度和质量很难有大的提高。冲压焊接离心泵的结构特点决定了其研究方法与铸造离心泵有很多不同，对照冲压焊接离心泵和铸造离心泵的结构特点，主要区别有：1.4本文研究的主要内容3.提出基于准非定常数值模拟的冲压焊接离心泵性能预测方法。对冲压焊接离心泵进行了性能预测，根据试验验证采用准非定常数值预测的可行性。4.推导冲压焊接离心泵径向力数值预测的数学模型，在此基础上计算不同工况时冲压焊接离心泵叶轮受到的径向力。85.在数值分析和性能预测的基础上，提出冲压焊接离心泵优化设计目标。并通过数值分析和对比验证优化设计方法的可行性。92.1概述网格),还可能根据数值解动态调整(自适应网格)。CFD中的数值方法有有限差2.2离心泵内部流动控制方程律。在牛顿流体范围内，这些规律可以用N-S方程描述(一的型式对所考察的特定问题(如激波间断)有着重要的影响，所以我们一般选用方面，可以直接用来计算有间断(如激波)的流场，而不用对间断进行任何特殊u,——i方向的速度，m/s;2.动量方程T,——是应力张量；F,——外部体积力源项。3.能量方程e——内能，J;S,——包括了物理化学反应、热辐射等体积热源项。2.2.2湍流模型1.92。这样，方程(2.5)、(2.6)、(2.9)和(2.10)构成了封闭的非线性方程对数区(充分发展的湍流区),参见图2.1。二u₂——壁面摩擦速度,m/s;当y⁴<5时，此区域为粘性底层，可认为速度沿着壁面法向呈线性分布通常，近壁面区域建模可通过壁面函数或近壁区的低雷诺数湍流模型这两种方法来实现。图2.2为这两种方法的网格分布情况对比。图中，左侧为低雷诺数湍流模型，右图为壁面函数。可见，若选用低雷诺数模型时，需要在粘性底层中布置比较多的节点；而壁面函数法则是把与壁面相邻的第一个节点布置在旺盛的湍流区。虽然壁面函数法没有计算靠近壁面受粘性力影响的区域(粘性底层和过渡区),但能充分节省计算资源。因此在工程数值计算中，处理壁面附近的区域的流动通常采用壁面函数法。壁面函数法的基本思想可归纳为：首先，假设在计算问题的壁面附近粘性底层以外的区域，无量纲速度分布服从对数分布律：因为此定义中只有时均值u,而没有湍流参数，为了反映湍流脉动的影响，需要把在这些定义式中，既引入了湍流参数k,同时又保留壁面切应力r,正是后面的这个量是工程计算中主要的求解对象。其次，在划分网格时，把第一个内节点P布置到对数分布律成立的范围内，即配置到旺盛湍流区域。这里r由对数分布律所规定，u为壁面上的速度。据此式，可导出第一个内节点上的μ的计算式。在第一个内节点上与壁面相平行的流速应满足对数分布律，即：p上k,2.2.3边界条件2.3数值计算方法在求解不可压流场时，当用速度、压力(或密度)作为基本变量时，称为原变量代数方程组的方法和分离式(顺序地)求解各变量代数方程组的方法。联立目前工程上对不可压缩流场的数值模拟，多选用压力修正方法，而其中量方程只有在压力场给定或以某种方式估算时才能求解。为解决这一问题，半隐式方法。该方法在推导速度修正方程时，忽略了压力修正对速度修正的间接或隐含的影响，从而一次可以求解一个变量，实现了变量之间的解耦。主要是其经济性(包括收敛速度快慢，内存占用多寡)及健壮性(Robustness),2.3.2数值离散方法在流体力学基本方程中常包含时间(或空间)的微分(或积分)项，数值计自20世纪80年代以来，非结构化网格以其对不规则区域的良好适应性得到了迅3.2冲压焊接离心泵叶轮及蜗壳耦合方法及计算工况3.2.1叶轮和蜗壳的耦合方法基于上述假定，可以计算不同瞬时转子相对于定子某一位置时的流场分布，这种计算方法称为准非定常数值计算，即考虑时间和空间效应对冲压焊接离心泵内部流场的影响因素。准非定常、定常和非定常的主要区别为：定常计算只考虑计算参数的空间效应，不考虑其时间效应；非定常计算考虑计算参数的空间效应即(0.5～1.5)%的进口管进口动能值。进口采用速度进口条件，并给定k和e„的值，进口参考压力为0;蜗壳出口叶轮与吸入管，叶轮与蜗壳之间的耦合面采用“时间冻结法”,即设置为grid3.2.2设计参数和性能要求叶轮基本参数：叶轮直径为208mm,叶片数为6个，叶片为扭曲状，壳，蜗壳进口宽度为17mm,隔舌安放角为32°,隔舌间隙为1.2mm。进口管长度100mm,进口管直径为80mm,出口管长度为100mm,出口管直转速为2900r/min,设计点效率70%,要求扬程曲线陡降，轴功率无过载，高效区图3.2冲压焊接离心泵叶片及蜗壳水力图叶轮结构化网格计算工况叶片和蜗壳隔舌相对位置角α性能预测工况点****************性能预测工况点法模拟叶轮和蜗壳的耦合关系，从叶片和蜗壳隔舌相对位置角α=0开始分析了4种不同叶轮位置的流场动态变化关系，按照叶轮和蜗壳的相对位置的不同(如图计算间隔V3.3冲压焊接离心泵内部流场静压分布□11878785454321011987654320图3.9叶轮和蜗壳相对位置角为0°时耦合面中间截面沿圆周静压分布—Q/QN=0.5-Q/QN=0.8图3.10叶轮和蜗壳相对位置角为15°时耦合面中间截面沿圆周静压分布—Q/QN=1.0—Q/QN=0.5--Q/QN=0.8-Q/QN=1.3图3.12叶轮和蜗壳相对位置角为45°时耦合面中间截面沿圆周静压分布3.4冲压焊接离心泵内部流场速度分布 28.0图3.19Q/Qɴ=0.5时叶轮和蜗壳不同相对位置中间截面绝对速度图3.20蜗壳出口边界速度分布4.2基于叶轮及蜗壳耦合特性的离心泵性能预测4.2.1网格对性能预测的影响本文分析了在某一工况点下8种不同叶轮网格数对扬程4.2.2冲压焊接离心泵内部流动损失模型扬程可分别由式(4.1)和式(4.2)计算4.2.3叶轮及蜗壳不同相对位置性能预测为隔舌对叶片附近流体流动的阻塞现象是造成隔舌两侧静压变化的主要原因；非设计工况时由于叶轮流道出口处的流体和蜗壳的流体速度方向不一致，隔舌附近的水力损失较大，另外，隔舌和叶片距离越小时，叶轮流道出口流体的损失也越大，这也导致了冲压焊接离心泵扬程发生先增大后减小周期性化变化的主要原因。图4.2叶轮与蜗壳不同位置时1T内扬程变化曲线nn—1.3QN4.2.4冲压焊接离心泵性能预测测量工况点流量(m³h)轴功率(kW)泵效率(%)10023456789可以看出计算轴功率值均小于试验值，误差一般在10%以内，所以利用“时间冻4.由图4.5可知，性能预测平均扬程都比试验扬程低，这是因为数值模拟的98632预测离心泵的性能特性。叶轮及蜗壳相对位置角α扬程(m)平均值(m)轴功率(kW)平均值(kW)效率4.3冲压焊接离心泵径向力数值预测4.3.1冲压焊接离心泵径向力理论分析径向力可以简单地认为是叶轮四周流场对叶轮所产生的径向作用力.对于螺旋形蜗壳，在泵的设计工况时从叶轮流出的流体与蜗壳内液流方向一致，因此沿叶轮周向静压分布和速度分布均匀，理论上认为叶轮所受到的径向力为零。当离心泵偏离额定工况时，流出叶轮的流体叶片出口角与蜗壳内流体的出口123456789口角，蜗壳内流体速度小于额定工况时的速度，而压力却比额定工况时的压力 根据以上假定和计算步骤，利用式(4.13)～式(4.19),采用VC编写了径向工况点Q/QNx轴径向力y轴径向力总径向力(N)5.2基于数值分析的冲压焊接离心泵水力参数优化1.叶片数z采用分流叶片偏置可以改善进口处的排挤现象，避免流道的脱流和扩散等现象，改善叶轮内部相对速度的分布，从而有效控制叶轮出口的回流。文献63推荐最优设计方案：分流叶片向长叶片背面偏置1/10个栅距，短叶片进口直径为(0.6~的圆盘摩擦损失，降低了泵的效率；随着β₂的增大，泵的扬程增大，理论扬程曲线变得平坦，直到扬程曲线出现驼峰，所以在设计过程中应综合考虑各参数之间5.2.2冲压焊接离心泵优化设计目标该冲压焊接离心泵比转速是66,属于低比转速离心泵。由于低比转速离心泵1.采用分流叶片控制小流量工况时叶轮流道内的回流；图3.15～图3.18为Q/QN=0.5工况点中间截面叶轮流道相对速度分布，表156mm,厚度1.5mm的直叶片，进口向长叶片背2.改进蜗壳出口管型线，防止大流量工况时出口管发生流动分离；图3.14表明大流量工况下蜗壳出口管发生流动分离现象，因为蜗壳出口管型线设计不合理，造成大流量工况时出口管发生明显的速度梯度。考虑到面积比对最大轴功率的影响，所以必须减小蜗壳喉部面积，同时修改扩散管型线。相对位置角αQ*****图5.2Q/Qn=0.5时带分流叶片冲压焊接离心泵叶片进口z=198665E2410—QQN=1.024.014.04.03.对比图3.19和图5.8,分流叶片改善了叶轮出口的绝对速度分布，使叶轮5.9),在第VI断面到隔舌区域径向力出现负值。最大径向速度出现在隔舌位置，最5.4分流叶片对冲压焊接离心泵性能的影响比(图5.10～图5.12中pump代表原离心泵，SV-pump代表带分流叶片离心泵),1.图5.10表明带分流叶片后离心泵计算扬程显著提高，设计点扬程提高了扬程曲线陡降，大流量工况时水力功率降低(图5.11),完全满足了无过载性能要计算工况点原离心泵分流叶片离心泵原离心泵水力功率分流叶片离心泵原离心泵水力效率分流叶片离心泵离心泵水力效率，这是因为分流叶片的影响，减小了离心泵叶轮出口附近过流面积，随着流量的逐渐增大，导致叶轮流道内流速增加，水力摩擦损失增大，从而导致叶轮流道内水力损失增大，离心泵的水力效率降低。2.给出了叶轮和蜗壳耦合面流动参数变化特性，指出耦合面周向静压分布具①采用分流叶片控制小流量工况时叶轮流道内的回流；②采用分流叶片减小叶轮出口面积，满足低比转速离心泵扬程曲线陡降，轴功率无过载的性能要求；③改进蜗壳出口管型线，防止大流量工况时出口管发生流动分离。通过数值模拟和性能预测表明带分流叶片冲压焊接离心泵的水力性能得到了明显提高。6.2研究展望通过以往的研究以及本文的工作，对于冲压焊接离心泵准非定常耦合特性数4.叶轮和蜗壳的耦合关系的研究应从叶轮和蜗壳等过流部件的水力参数对耦合特性的影响入手，开展冲压焊接离心泵非定常流动数值模拟，考虑到口环间隙对流量的影响，考虑冲压焊接离心泵水力损失的发生部位，提高数值模拟的准确性，精确预测冲压焊接离心泵的性能，最终为改进和优化冲压焊接离心泵水力性验才能检验。本文虽然以泵的外特性试验间接地检验了流场计算的结果，但由于不同的流场可以有相同的外特性，所以这种检验毕竟不是对流场计算本身的验证，今后的工作将是通过CFD和流场测试的结合验证数值模拟的有效性。首先要感谢的是我的导师王洋老师。他在学业上给予我严格耐心的指导，同时时常指点我做人和做学问的道理，尽最大可能为我创造良好的外出学习和实践的机会，使我能在理论学习的同时开阔视野、拓展思路，也使我学会了在工程实践中思考问题。导师严谨的治学态度，敏锐的科研洞察力，稳健务实的工作作风以及平易近人的待人方式，都给我留下了深刻谨向导师致以崇高的敬意!感谢流体中心各位领导和老师们的关心和帮助!在我的论文选题和实施过程中他们提出了很多建设性的意见，在此表达我深深的谢意!感谢我的师弟师妹们在读研期间和论文实施过程中给予了真诚和无私的帮助，同时感谢研0411班的全体同学，正是由于他们的热心帮助和大力支持，我才能顺利地完成论文。2006年10月于江苏大学[3]蔡保元.水力机械固液两相流设计计新理论.工程热物理学报，1991,12(3)[4]钱锐，蔡保元.冲压焊接成型离心泵扬程曲线的试验研究.流体机械，2001,29(11):6~8[5]霍春源，梁跃，姚宁海等.不锈钢冲压焊接离心泵的设计特点.水泵技术，1999,(5):Problems.ASMETrans,Ser.A,1967,89(4):478f[12]B.E.Launder.CFDforaerJoumal,2000,104(1038):[14]王企鲲，戴韧，陈康民.离心风机整机准定常流动数值研究.流体机械，2003,31(03):[16]王企鲲，戴韧，陈康民.离心风机梯形截面蜗壳内旋涡流动的数值分析.工程热物理学报，2004,25(1):68~70[17]周兵，陈乃祥。双蜗壳内部定常湍流数值研究.青岛大学学报(工程技术版),2004,19(2):ofcentrifugalpumps,”[22]MiguelAsuaje,FariofRotatingMachinery2005:3,244~255[23]JoseGonzalez,Eduardoblanco,CarlosSantolaria.NumericalEffectsDuetoImpeller-VoluteInteracEngineering,2002(124):JournalofFluidsEngineering,vol.124,no.2,pp.348~355,2002BladePassageFrequencyintheVoluteofaCentrifugalPteadyFlow,Pressurefluctuations,andNoiseinaCentrifugalPump.ASMf[29]Daniel0.Baun,LutzKostner,RonaldD.FlacPump.ASMEJournalofFluidsEngineering,2000(122):598~605onLateralImpellerForcesMachinery,2003,9(2):1Rotor-StatorInteractioninaCentrifugalPump[33]陶文诠.数值传热学.西安交通大学出版社，1987[35][美]A.J.斯捷潘诺夫著