本文關(guān)鍵詞：基于流固耦合的噴水推進(jìn)泵小流量區(qū)的動(dòng)態(tài)特性研究分析

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【摘要】：在最近二十多年來,噴水推進(jìn)技術(shù)才開始得到重點(diǎn)研究,并得到了巨大的發(fā)展,尤其是在高速高性能的船舶上,陸地海上的兩棲用的車輛以及在一些淺水作業(yè)上也都得到了廣泛的應(yīng)用[1]。相比較于傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng),以噴水推進(jìn)泵(混流泵)為核心的噴水推進(jìn)系統(tǒng)具有在高航速的時(shí)候效率更高,抗空化空蝕性能更好,機(jī)動(dòng)性和操作更便捷,并且吃水淺,相對(duì)而言阻力更小,能夠適應(yīng)不停變化的運(yùn)行工況,水下聲輻射較小等眾多優(yōu)點(diǎn),在很多的發(fā)達(dá)國(guó)家都已經(jīng)普遍地投入到實(shí)際應(yīng)用中。本世紀(jì)以來,隨著我國(guó)對(duì)噴水推進(jìn)技術(shù)需求的逐漸增長(zhǎng),相關(guān)的關(guān)鍵核心技術(shù)也得到了不小的提升和發(fā)展,噴水推進(jìn)技術(shù)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用[1],但是不可避免的會(huì)出現(xiàn)一般混流泵都會(huì)存在的問題,在高速運(yùn)行的系統(tǒng)上,混流泵在啟動(dòng)過程中,會(huì)經(jīng)常運(yùn)行經(jīng)過馬鞍區(qū),水泵在小流量工況下運(yùn)行工作的時(shí)候,會(huì)呈現(xiàn)出振動(dòng)、噪聲等很多由流動(dòng)不穩(wěn)定性引起的一系列問題,而混流泵內(nèi)部流動(dòng)是非定常流動(dòng),會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部流體不穩(wěn)定的脈動(dòng),而就此引發(fā)的水力激振力會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng),而長(zhǎng)時(shí)間的交變載荷的作用會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞失效,這會(huì)減少機(jī)組的使用壽命,造成結(jié)構(gòu)的破壞,降低其運(yùn)行效率,會(huì)造成巨大的損失。因此,對(duì)噴水推進(jìn)泵(混流泵)進(jìn)行內(nèi)流場(chǎng)分析和靜力結(jié)構(gòu)分析對(duì)其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要意義。本文在國(guó)家自然科學(xué)基金(51579118,51479083)、江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2015064-08)資助下,以Wartsila公司生產(chǎn)的噴水推進(jìn)泵為模型進(jìn)行了相關(guān)的研究,取得的成果如下:(1)采用UG 8.5商用三維造型軟件對(duì)噴水推進(jìn)泵(混流泵)建立三維結(jié)構(gòu)域進(jìn)行建模,包括全流場(chǎng)域(進(jìn)口、葉輪、導(dǎo)葉、出口)和結(jié)構(gòu)域(導(dǎo)流帽、葉輪、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)軸),利用專業(yè)的網(wǎng)格劃分軟件ICEM CFD,對(duì)全流場(chǎng)進(jìn)行高質(zhì)量的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,對(duì)結(jié)構(gòu)域則是利用ANSYS WORKBENCH14.5平臺(tái)自帶的網(wǎng)格劃分工具進(jìn)行四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,采用大渦模擬方法(LES)對(duì)流體域進(jìn)行非定常多工況全流場(chǎng)數(shù)值模擬。(2)對(duì)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析,可以發(fā)現(xiàn),進(jìn)口處的主頻為葉頻,隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐漸靠近壁面,壓力脈動(dòng)幅值越大;在葉輪出口,低頻范圍變大,主頻向低頻方向偏移;在導(dǎo)葉出口位置,壓力脈動(dòng)頻率范圍集中偏向低頻區(qū)域,脈動(dòng)幅值明顯有所下降,隨機(jī)脈動(dòng)占據(jù)了主要位置;在小流量工況下,低頻成分范圍增加,脈動(dòng)成分更加復(fù)雜,脈動(dòng)幅值相對(duì)更大。(3)對(duì)噴水推進(jìn)泵進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)分析,可以看到,壓強(qiáng)由進(jìn)口端到出口端呈現(xiàn)遞增趨勢(shì),壓力面上的靜壓分布從進(jìn)口到出口、從輪轂到輪緣逐漸增大,葉片靜壓的高壓區(qū)域從葉片的中上部分轉(zhuǎn)向發(fā)展到出口附近,葉片吸力面的壓力從葉片的前緣到出口先增大后減小后再增大;跨距對(duì)吸力面靜壓載荷影響較小,但是對(duì)壓力面的影響卻很顯著;在小流量工況下,在導(dǎo)葉的吸力面附近產(chǎn)生大量的漩渦渦團(tuán),從導(dǎo)葉進(jìn)口到出口,漩渦大小先增大后減小,渦核附著在壓力波動(dòng)最小的導(dǎo)葉吸力面中間葉高區(qū),隨著渦團(tuán)的發(fā)展,渦團(tuán)逐漸從靠近導(dǎo)葉吸力面葉高區(qū)脫落,隨著流量的增加,流道中的不穩(wěn)定渦團(tuán)顯著減少;在大流量工況下運(yùn)行的時(shí)候,軸向力隨著流量的增加而減小,當(dāng)流量減小,運(yùn)行在駝峰區(qū)域的時(shí)候,軸向力卻和流量呈現(xiàn)了正相關(guān)的關(guān)系,即軸向力隨著流量的增加逐漸增加,隨著揚(yáng)程的增加而逐漸增大。(4)基于單向流固耦合技術(shù)對(duì)噴水推進(jìn)泵的轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果表明:在葉輪進(jìn)口輪緣附近出現(xiàn)了最大變形,從輪轂到輪緣變形逐漸變大,葉片的徑向變形從輪轂到輪緣先減小后增大,變形量遠(yuǎn)小于總變形量;周向變形變化規(guī)律與總變形規(guī)律相似,且變形值和總變形值十分接近,表明周向變形是葉輪葉片變形的主要原因;壓力面靠近輪轂附近出現(xiàn)了高應(yīng)力區(qū),甚至出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象;固體結(jié)構(gòu)在流體的反作用力和其他載荷的共同作用之下發(fā)生了明顯的應(yīng)力剛化,結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向上的剛度都有了明顯的提高。(5)基于流動(dòng)控制思想,采用輻條技術(shù)之后,駝峰區(qū)有了明顯的改善,有效地減弱了葉輪進(jìn)口截面的低頻壓力脈動(dòng),改善了小流量工況下的非穩(wěn)定流動(dòng)特性;隨著輻條厚度d和數(shù)量n的增加,水泵的水力性能得到改善,揚(yáng)程得到提升,但是當(dāng)厚度和數(shù)量進(jìn)一步增加時(shí),揚(yáng)程增長(zhǎng)的幅度卻明顯降低;隨著厚度d和數(shù)量n的增加,噴水推進(jìn)泵的效率先增加后減小,存在一個(gè)提高水泵效率的最優(yōu)值。
【關(guān)鍵詞】：噴水推進(jìn)泵 大渦模擬 壓力脈動(dòng) 流固耦合 靜力分析 優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH313
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 緒論11-14
• 1.1 課題研究目的和對(duì)經(jīng)濟(jì)和學(xué)術(shù)的價(jià)值和意義11
• 1.2 相關(guān)課題的研究現(xiàn)狀11-12
• 1.2.1 壓力脈動(dòng)研究現(xiàn)狀11-12
• 1.2.2 流固耦合研究現(xiàn)狀12
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容12-13
• 1.4 本文主要技術(shù)路線13-14
• 第二章 流固耦合在ANSYS分析中的應(yīng)用14-20
• 2.1 流固耦合的應(yīng)用和基本理論14-15
• 2.2 流固耦合計(jì)算方法15-19
• 2.3 流固耦合在ANSYS分析中的應(yīng)用19
• 2.4 本章小結(jié)19-20
• 第三章 噴水推進(jìn)泵外特性和內(nèi)部流場(chǎng)特性數(shù)值分析20-52
• 3.1 建立計(jì)算模型20-21
• 3.2 網(wǎng)格劃分21-22
• 3.3 湍流模型22-24
• 3.4 邊界條件24-25
• 3.5 計(jì)算結(jié)果分析25-36
• 3.5.1 外特性預(yù)測(cè)結(jié)果25-28
• 3.5.2 壓力脈動(dòng)數(shù)值分析28-36
• 3.6 內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果36-49
• 3.6.1 葉片表面壓力分布36-39
• 3.6.2 葉輪葉片載荷分布特性39-40
• 3.6.3 葉輪葉片軸面展開流線圖和軸向速度圖40-49
• 3.7 本章小結(jié)49-52
• 第四章 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析和模態(tài)分析52-67
• 4.1 應(yīng)力分析基本理論52-53
• 4.2 結(jié)構(gòu)域網(wǎng)格劃分及邊界條件的設(shè)置53-54
• 4.3 計(jì)算結(jié)果分析54-61
• 4.3.1 變形分析54-59
• 4.3.2 強(qiáng)度分析59-61
• 4.4 模態(tài)分析61-65
• 4.4.2 系統(tǒng)在空氣中的模態(tài)分析61-63
• 4.4.3 系統(tǒng)在預(yù)應(yīng)力作用下的模態(tài)分析63-65
• 4.5 本章小結(jié)65-67
• 第五章 噴水推進(jìn)泵性能改善的研究67-77
• 5.1 輻條控制技術(shù)對(duì)改善混流泵特性的研究67
• 5.2 計(jì)算模型的建立67-68
• 5.3 結(jié)果分析68-76
• 5.3.1 外特性分析68-69
• 5.3.2 內(nèi)部流場(chǎng)分析69-71
• 5.3.3 壓力脈動(dòng)分析71-72
• 5.3.4 輻條參數(shù)對(duì)性能的影響72-76
• 5.4 本章小結(jié)76-77
• 第六章 總結(jié)與展望77-80
• 6.1 研究總結(jié)77-79
• 6.2 工作展望79-80
• 參考文獻(xiàn)80-83
• 致謝83-84
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與參加的科研工作84

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