發(fā)布時間：2020-04-10 16:14

【摘要】： 本文系國家自然基金(編號:50649029)和高校博士點基金(編號:20050299006)資助項目。 離心泵是應(yīng)用最廣泛的流體機械之一,其中低比轉(zhuǎn)速離心泵一直存在效率不高,汽蝕性能較差,內(nèi)部流動不穩(wěn)定等問題。隨著現(xiàn)代流場測試技術(shù)及CFD技術(shù)的發(fā)展,對離心泵開展PIV內(nèi)部流動測試及動靜耦合的非定常全流場數(shù)值模擬是當(dāng)前國內(nèi)外泵領(lǐng)域研究的重點和熱點。本文通過對離心泵內(nèi)部非定常流動現(xiàn)象和特點的分析,提出開展多種設(shè)計方案下的離心泵內(nèi)部三維非定常全流場的數(shù)值模擬及PIV試驗的對比研究,旨在較全面細致地了解不同設(shè)計方法設(shè)計的離心泵全流場流動的結(jié)構(gòu)特點,捕獲非定常流動特征,為離心泵優(yōu)化設(shè)計提供理論基礎(chǔ),并實現(xiàn)離心泵性能的準(zhǔn)確預(yù)測。本文主要研究工作和創(chuàng)造性成果有: 1.在全面系統(tǒng)分析國內(nèi)外離心泵內(nèi)部流場實驗和數(shù)值模擬研究進展的基礎(chǔ)上,對離心泵內(nèi)部流動現(xiàn)象進行了較全面深入的分析,并針對離心泵內(nèi)部三維粘性湍流流動的計算模型和計算方法進行了討論。 2.采用先進的PIV技術(shù),開展了離心泵內(nèi)部流動的PIV測試研究。自行搭建了離心泵專用PIV試驗臺,針對離心泵葉輪結(jié)構(gòu)特點,設(shè)計并制造了滿足PIV測試要求的模型泵。首次對采用不同設(shè)計方法所設(shè)計出的四種方案離心泵葉輪內(nèi)部流場進行了多工況下PIV測試的對比研究,結(jié)果表明:采用低比速設(shè)計法設(shè)計的葉輪流道內(nèi)相對速度基本沿葉片型線方向流動,葉片吸力面無尾流現(xiàn)象存在;采用常規(guī)設(shè)計方法設(shè)計的葉輪,流道進口處葉片對流體排擠嚴(yán)重,易形成氣泡;采用較短短葉片設(shè)計的葉輪流道內(nèi)流體由吸力面流向壓力面,葉片進口處存在明顯旋渦區(qū),且隨流量的增加旋渦區(qū)逐漸縮小;采用較長短葉片設(shè)計的葉輪內(nèi)相對速度分布較紊亂,長葉片和短葉片吸力面處均存在明顯旋渦區(qū)。 3.首次對采用不同設(shè)計方法所得五種方案離心泵內(nèi)部流場進行了單個葉輪、葉輪蝸殼動靜耦合的定常流動和非定常流動的數(shù)值模擬對比研究。采用RANS雷諾時均方程進行數(shù)值求解,以RNG k-ε湍流模型來封閉雷諾應(yīng)力項,應(yīng)用SIMPLEC算法進行不可壓縮流動壓力場的求解,實現(xiàn)了對五種設(shè)計方案下葉輪內(nèi)部流場的三維粘性湍流數(shù)值模擬。通過與PIV實驗測試結(jié)果的對比分析,驗證了所建數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。通過對設(shè)計流量工況及非設(shè)計流量工況下五種方案葉輪內(nèi)部流動速度、壓力、湍動能分布的對比分析,發(fā)現(xiàn):低比速設(shè)計的葉輪流道內(nèi)流體基本沿葉片型線方向流動,較大流速出現(xiàn)在葉片吸力面附近,葉輪出口吸力面?zhèn)葻o低速尾流區(qū)存在,與PIV測試結(jié)果一致;常規(guī)設(shè)計方法設(shè)計的葉輪,在葉片吸力面出口處存在低速尾流區(qū),葉片壓力面距頭部1/3處出現(xiàn)一較大范圍的低速旋渦區(qū),使主流區(qū)的速度明顯增大;長短葉片葉輪葉片進口壓力面附近存在明顯的低速旋渦區(qū),流體從長葉片吸力面橫向流向壓力面,與PIV測試結(jié)果一致;由于短葉片的存在防止了尾流的產(chǎn)生和發(fā)展,長葉片吸力面出口未出現(xiàn)低速尾流區(qū);當(dāng)短葉片向長葉片吸力面偏置時,平衡了短葉片兩側(cè)流道內(nèi)的流動,流動更為均勻。通過對五種葉輪設(shè)計方案的分析和評估,為最終進行離心泵葉輪優(yōu)化水力設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。 4.基于分塊耦合及局部加密的方法生成三維非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,采用凍結(jié)轉(zhuǎn)動部件法及多重參考坐標(biāo)系模型,對離心泵包括蝸殼在內(nèi)的全三維流場進行了定常數(shù)值模擬,結(jié)果表明:蝸殼進口速度和壓力沿周向分布呈明顯的周期性波動特征,葉輪出口射流和尾流區(qū)的存在與否及所處位置與泵的流量及葉輪結(jié)構(gòu)形式有很大關(guān)系,進一步證實了離心泵內(nèi)從葉輪到蝸殼整個流場的強非對稱流動特征。通過不同設(shè)計方案及不同流量工況下的數(shù)值模擬對比分析,揭示了葉輪和蝸殼之間的動靜干涉對流場的影響。通過對多個設(shè)計方案不同流量工況下的數(shù)值模擬,數(shù)值預(yù)測了離心泵的性能曲線,并與外特性實驗曲線進行對比,進一步驗證了本文數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和性能預(yù)測的可行性,為離心泵的性能優(yōu)化提供了途徑。 5.由于離心泵內(nèi)的非定常流動能引起泵內(nèi)部和出口的壓力脈動,進而誘導(dǎo)產(chǎn)生噪聲和振動,不同設(shè)計方案離心泵的非定常特性也不同。本文針對不同的設(shè)計方案,采用滑移網(wǎng)格的非定常CFD方法實現(xiàn)了整機全三維非定常流場的數(shù)值模擬,揭示了離心泵內(nèi)部流動周期性波動特性和非穩(wěn)定流動特征。蝸殼隔舌附近的壓力波動幅值最大,蝸殼出口斷面上的壓力波動幅值最小;小流量工況下,各方案的瞬時揚程波動不大,隨流量的增大瞬時揚程波動幅值明顯增大;低比速設(shè)計的葉輪瞬時揚程波動較大,常規(guī)設(shè)計的葉輪瞬時揚程波動最小;采用長短葉片的葉輪,短葉片偏向吸力面時瞬時揚程波動最小。首次從非定常流動角度對不同設(shè)計方法所得葉輪進行了對比評估,并為進一步進行離心泵內(nèi)部流動誘導(dǎo)噪聲和誘導(dǎo)振動研究提供了基礎(chǔ)。 6.本文首次系統(tǒng)地進行了離心泵多設(shè)計方案的外特性實驗、PIV測試和不同層次的數(shù)值模擬,研究結(jié)果表明:對于中低比速離心泵,不宜采用常規(guī)設(shè)計方法,最好采用低比速設(shè)計法或長短葉片設(shè)計法設(shè)計葉輪;若采用長短葉片設(shè)計法,應(yīng)采用較短的短葉片,短葉片應(yīng)向長葉片吸力面偏置的方案。
【圖文】：

圖2一離心泵進、出口回流示意圖心泵內(nèi)部流動不穩(wěn)定，伴隨有流量和壓力脈動，產(chǎn)生噪聲和機械振動，，影響離心泵的壽命。離心泵進口的回流，在一定情況下會加劇葉輪內(nèi)的汽蝕。當(dāng)空泡和回流同時存在時，會引起低頻空泡脈動，使系統(tǒng)內(nèi)部流量和壓力發(fā)生脈動，嚴(yán)重時還會誘發(fā)整個系統(tǒng)的共振，影響系統(tǒng)的正常運行。

第二章離心泵內(nèi)部流動理論圖2一1口一}輪與蝸殼不同相對位置時離心泵內(nèi)部流動靜壓云圖圖2一離心泵進、出口回流示意圖心泵內(nèi)部流動不穩(wěn)定，伴隨有流量和壓力脈動，產(chǎn)生噪聲和機械振動，影響離心泵的壽命。離心泵進口的回流，在一定情況下會加劇葉輪內(nèi)的汽蝕。當(dāng)空泡和回流同時存在時，會引起低頻空泡脈動，使系統(tǒng)內(nèi)部流量和壓力發(fā)生脈動，嚴(yán)重時還會誘發(fā)整個系統(tǒng)的共振，影響系統(tǒng)的正常運行。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號】：TH311

【引證文獻】

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1 袁壽其;李亞林;湯躍;袁建平;;示蹤粒子在離心泵內(nèi)流場跟隨性的影響因素分析[J];機械工程學(xué)報;2012年20期

2 袁壽其;薛菲;袁建平;湯躍;;離心泵壓力脈動對流動噪聲影響的試驗研究[J];排灌機械;2009年05期

3 朱榮生;胡自強;楊愛玲;;雙葉片泵內(nèi)非定常流動的數(shù)值模擬[J];排灌機械工程學(xué)報;2011年01期

4 李亞林;袁壽其;湯躍;袁建平;;離心泵內(nèi)流場PIV測試中示蹤粒子跟隨性的計算[J];排灌機械工程學(xué)報;2012年01期

5 楊偉仁;;乙烯裝置急冷油泵國產(chǎn)化改造研究[J];通用機械;2010年11期

6 劉建瑞;高振軍;郭晨旭;何小可;文海罡;;50IB-32型離心泵汽蝕性能的數(shù)值模擬與試驗[J];排灌機械工程學(xué)報;2013年06期

本文編號：2622438