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离心泵CFD应用---Fluent计算
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你可能喜欢基于Fluent的无过载离心泵改型设计
引言低比数离心泵因其具有小流量高扬程的特点,广泛应用于农业灌溉、城市供水、锅炉给水、矿山、石油和化工等领域。但低比数离心泵也有其自身的缺点,特别是轴功率曲线随着流量的增大而急剧上升,最大轴功率与设计点轴功率之比远大于一般离心泵的相应值[1]。由于泵的实际运行工况点经常变动,所以低比数离心泵很容易在大流量区域引起配套电动机过载。为此生产厂家往往选择更大功率的配套电动机,来避免电动机过载。这种“大马拉小车”的现象,对电力资源造成了浪费。所以采取措施,降低离心泵的轴功率,实现无过载特性可以保证机组的低成本和可靠运行[2]。1改型设计思路针对低比数离心泵的这一特点,国内外许多专家进行了大量卓有成效的研究工作,并逐渐形成了一套比较成熟的无过载理论与设计方法。该方法主要是通过选择合理的水力设计参数来降低轴功率,实现无过载特性,其公式[3]为Pmax=ρ4ηmK3u32πD2b2φ2σ2tanβ2(1)由式(1)可以看出:取较小的叶片出口角β...&
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随着课程改革的推行，无论是老师，还是学生， 都对错误怀着一种宽容的态度。这本来是一件好 事，老师要允许学生犯错误，要有容忍性，因为学生 是发展中的人，要允许学生有一个发展的过程。从 学生的角度说，老师术业有专攻，不是全知全能;老 师非圣贤，不能无过。可以说，课程改革之后，学生 对老师的出错的容忍程度提高了;而老师也能比较 客观地看待自己或者同行出现的错误。当自己犯的 错误被指出的时候，都是本着诚恳的态度，承认是 “老师搞错了”，也不会觉得下不来台。 但是，我在听课的过程中，却发现有时候，老师 犯的错误，完全是可以避免的，有的甚至是常识性 的错误。只要在备课的时候，多查一些资料，多用一 点心思。是的，老师可以犯错误，但是什么样的错误 可以犯?什么样的错误不应该犯?为什么就不能在 课前准备得充分一些呢?初中以上的学生，或者那 些被鼓励指出老师所犯的错误的学生，有可能不卑 不亢地指出老师犯的错误，但是低年级的学生，还 有那些对老师有着...&
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引言一般离心式排污泵(β290°)其轴功率是随流量增大而增大的,轴功率与流量间是二次抛物线关系,文献[1]推导出离心式排污泵最大轴功率值及其位置的关系式。由公式可知,一旦泵的几何参数确定,泵的最大轴功率值及其位置是固定的,如果能将最大轴功率位置Qpmax控制在所需要的范围之内,将使排污泵在全流量范围内运行满足无过载性能要求,因此深入研究几何参数对性能的影响规律从而获得一组最佳几何参数组合是至关重要的。本文通过正交试验,探索主要几何参数对无过载排污泵性能的影响规律,并对一台无过载排污泵提出最优设计方案。1正交试验研究正交试验法是利用正交性原理而编制并已标准化的正交表,来科学安排试验方案和对试验结果进行计算、分析的数学方法,见参考文献[2]。1.1试验目的(1)探索泵几何参数对最大轴功率、效率值及最大轴功率位置的影响规律。(2)验证离心式排污泵最大轴功率值及其位置的公式的正确性。该公式为Pmax=4Aρηmu23πD2b2ψ2h20...&
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作为一种教育手段,批评的目的是让孩子知道错在何处,今后避免或改正。因此,批评要以对话和交流为主,要偏重于对错误思想和行动的思索和检查。从这个角度看,批评是一场有约定和要求的对话。1.初犯要说理。“人非圣贤孰能无过”。孩子不成熟,自制力较差,对后果预见不足,所以初次犯错重在包容。家长应耐心说明错误的后果,表达对孩子的信任和期望。2.再犯要约定。从发展心理学角度看,孩子心智尚未成熟,往往禁不住诱惑,像打电子游戏等,再犯也不为过。此时家长...&
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不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究
浙江理工大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得浙江理工大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：泡尖山砂签字日期：如ｌ≥年丐月７日学位论文版权使用授权书Ｉ删愀本学位论文作者完全了解浙江理工大堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆堡王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：沼驻山冶签字日期：≯ＩＺ年弓月１日 导师签名：霞ｆ≥玲签字日期：跏；年ｊ月／日不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆａｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐ ｗｉｔｈ ｏｐｅｎ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究摘要随着科学技术以及计算流体力学的不断进步，离心泵的应用领域在不断拓展，应用范 围也越来越广。而开式叶轮离心泵在一些场合也发挥着举足轻重的作用，目前，离心泵输 送介质也趋向多样化，由于开式叶轮只有部分后盖板，相对于常规叶轮来说，开式叶轮便 于加工制造。并且开式叶轮与壳体之间的间隙较大，因此能够输送含有微细杂物、粘性的 介质。然而，汽蚀现象作为水力机械普遍存在的问题，一直制约着水泵行业的发展，影响 着泵的运行稳定性和可靠性。本文采用数值模拟和试验相结合的方法，对具有不同叶型的 全开式叶轮离心泵分别在非汽蚀和汽蚀工况下进行了数值计算。主要研究内容如下： （１）采用三维实体建模软件Ｐｒｏ／Ｅ对离心泵的主要过流部件进行实体建模，主要过流 部件包括诱导轮、叶轮以及蜗壳，根据实际要求分别创建全开弯叶片叶轮和全开直叶片叶 轮。将整机导入前处理软件Ｇａｍｂｉｔ进行网格划分，然后利用软件Ｆｌｕｅｎｔ分别对不同叶型 离心泵进行了简单的非汽蚀工况下的数值模拟，分析不同叶型对叶轮以及诱导轮内部压力 和速度分布的影响。 （２）通过在汽蚀工况下对离心泵的数值计算，研究了不同叶型在同一时刻不同汽蚀 余量下叶轮内部空泡相的分布以及临界汽蚀余量下不同时刻叶轮内部空泡相的分布。 （３）在同一试验台上，分别对全开直叶片叶轮和全开弯叶片叶轮离心泵进行外特性 性能试验和汽蚀性能试验，通过试验得到不同叶型的全开式叶轮离心泵在不同工况下的性 能特性曲线和设计流量点下的汽蚀性能曲线，并将数值模拟结果与试验研究结果进行对比 分析。 关键字：全开式叶轮；离心泵；低比转速；汽蚀性能；数值模拟；试验研究浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究ＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈ ｔｈｅｃｏｎｓｔａｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ ｉｓ ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ｒａｐｉｄｌｙ ａｎｄ ｂｅｃｏｍｅｓ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｅｎ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ ａｌｓｏ ｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅｏｎｓｏｍｅ ｏｃｃａｓｉｏｎｓ．Ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｄｉｕｍ ｏｆ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ ｂｅｃｏｍｅｓ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｄｉｖｅｒｓｉｆｉｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｉｍｐｅｌ ｌｅｒ，ｔｈｅ ｏｐｅｎ ｉｍｐｅｌ ｌｅｒ ｏｎｌｙ ｈａｓ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｃｋ ｓｈｒｏｕｄ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｙ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｆｏｒ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｇ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ａｎｄ ｃａｓｉｎｇ，ｉｔ ｔｒａｎｓｍｉｔ ｔｈｅ ｍｅｄｉｕｍｓ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｆｉｎｅ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ，ａｓ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｓｕｎｄｒｙ，ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ ｍｅｄｉｕｍ ｉｎ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ａｎｄＳＯａｒｅｃａｎｏｎ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｓ ｔｈｅｍａｃｈｉｎｅｒｙ，ａｌｗａｙｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆｔｈｅ ｐｕｍｐ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｎｄ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｍｐ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｏｐｅｎｉｍｐｅｌｌｅｒｏｎｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｌｏｗ ａｎｄ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｒｅｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｄｏｐｔｅｄｔｏｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｏｐｅｎａｔｉｍｐｅｌｌｅｒ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ａｎｄ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｏｎｌｙ ｗａｔｅｒ ｍａｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈｃｏｎｔｅｎｔｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｌｏｗ ｆｏＩｌｏｗｓ：ｒａｔｅｓｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅａｒｅ ａｓ（１）Ｔｈｅｗｈｏｌｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｗ－ｓｐｅｃｉｆｉｃ―ｓｐｅｅｄ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆａｒｅｏｐｅｎ ｉｍｐｅｌｌｅｒｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｐｒｏ／Ｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｉｎｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄｓ ｃｏｎｔａｉｎ ｉｎｄｕｃｅｒ，ｉｍｐｅｌｌｅｒｓ ａｎｄ ｖｏｌｕｔｅ．Ｔｈｅ ｔＷＯ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｍｐｅｌｌｅｒｓ ｗｉｔｈ ｓｔｒａｉｇｈｔ ｂｌａｄｅ ａｎｄ ｂｅｎｔ ｂｌａｄｅａｒｅｆｉｎｉｓｈｅｄ ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅ ａｃｔｕａｌｌｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｐｕｍｐ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ Ｇａｍｂｉｔ ｆｏｒ ｍｅｓｈｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅ ｂｙ 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ｉｍｐｅｌｌｅｒ；Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ；Ｌｏｗ―－ｓｐｅｃｉｆｉｃ－－ｓｐｅｅｄ；Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ； Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究目录摘 要……………………………………………………………………………………………………………………．．ＩＡｂｓｔｒａｃｔ．………．……．………………………………．．．……………．…．．．………………………．…………．………．ＩＩ目录…………………………………………………………………………………………………………………一ＩＶ第一章绪论……………………………………………………………………………．１ １．１课题的来源及意义………………………………………………………………．．１ １．２开式叶轮离心泵内部流动研究现状……………………………………………一２ １．３汽蚀特性的研究现状……………………………………………………………．．５ １．４本文研究的主要内容……………………………………………………………一９ 第二章 离心泵非汽蚀工况下的数值计算………………………………………………ｌＯ２．１离心泵的主要几何参数和三维模型……………………………………………１ ０ ２．２数值计算方法……………………………………………………………………ｌ ２ ２．２．１网格划分…………………………………………………………………．１２２．２．２边界条件…………………………………………………………………．１ ３ ２．２．３数学模型…………………………………………………………………．１ ４ ２．３计算结果分析……………………………………………………………………１ ６ ２－３．１压力分析…………………………………………………………………一１ ７ ２．３．２速度分析…………………………………………………………………．．２３ ２．４离心泵性能预测…………………………………………………………………２６ ２．５本章小结…………………………………………………………………………２８ 第三章离心泵汽蚀工况下的数值计算…………………………………………………２９ ３．１汽蚀数值计算方法………………………………………………………………２９ ３．２数值计算结果分析………………………………………………………………３ ｌ ３．２．１同一时刻不同汽蚀余量下叶轮内的空泡体积分布……………………．３１ ３．２．２同一时刻不同汽蚀余量下诱导轮内部空泡体积分布…………………．３３ ３．２．３不同叶型叶片吸力面的空泡体积分布…………………………………．３４ ３．２．４不同时刻叶轮内部空泡体积分布………………………………………．３６ ３．３离心泵汽蚀性能预测……………………………………………………………３８ ３．４本章小结…………………………………………………………………………４０ 第四章全开式叶轮离心泵的试验研究…………………………………………………４ｌ１Ｖ浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究４．１试验内容…………………………………………………………………………４１ ４．２试验装置…………………………………………………………………………４２ ４．３试验方法…………………………………………………………………………４３ ４．３．１外特性试验方法…………………………………………………………一４３ ４．３．２汽蚀性能试验方法………………………………………………………一４４ ４．４试验结果…………………………………………………………………………４５ ４．４．１性能试验结果……………………………………………………………．４５ ４．４．２汽蚀性能试验结果………………………………………………………．４７ ４．５本章小结…………………………………………………………………………４８ 第五章总结与展望………………………………………………………………………４９ ５．１全文总结…………………………………………………………………………４９５．２工作展望…………………………………………………………………………．５０参考文献……………………………………………………………………………………５２ 致 谢……………………………………………………………………………………５６攻读硕士期间的研究成果…………………………………………………………………５７Ｖ浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究第一章绪论１．１课题的来源及意义随着社会的发展和科技的进步，离心泵在农业工程、石油化工、航空航天、能源工程、 冶金和轻工业等领域占据非常重要的地位【¨。其中低比转速离心泵由于其高扬程，小流量 的特点，其用途也越来越广泛。叶轮是离心泵中最关键的部件，其结构形式主要有闭式、 半开式和全开式三种。开式叶轮低比转速离心泵在现在工业中也具有广泛的应用，由于开 式叶轮离心泵在工作时，叶轮与盖板之间存在一定的间隙，从而避免了叶轮与离心泵之间 的碰撞和摩擦。由于叶轮与盖板之间存在一定的间隙，因此开式叶轮离心泵主要用在输送 含有固体颗粒的场合或者介质的粘度较大的场合。随着离心泵输送介质的多样化，特别是 离心泵在输送气化介质和气体低温液化输送等应用领域，这些都对离心泵的汽蚀性能、工 作稳定性提出了更高的要求。 随着计算流体力学的发展和科技的进步，数值模拟的计算方法在科学研究中的应用越 来越广泛，并且也取得了一定的成果。尤其是水利机械的研究过程中，数值模拟起到了重 要的作用。通过对研究对象进行数值计算和试验研究，然后通过数值模拟分析内部流体的 二次流动、边界层等复杂的三维粘性流动。国内外学者对离心泵内部流动机理进行了一定 程度的研究，但是对全开式叶轮离心泵由叶型引起的内部流动的不同的研究却较少。 本文将全开式辐射型以及全开式圆弧型叶轮低比转速离心泵作为研究对象，通过对模 型泵在非汽蚀工况和汽蚀工况下的数值计算，分析不同叶型的全开式叶轮离心泵内部压力 与速度的分布，汽蚀现象在叶轮内部的发展，在相同工况下采用不同叶片形式的叶轮对离 心泵内部气泡相分布的影响；以及同一时刻不同汽蚀余量下两种叶型叶轮内部的空泡体积 分数分布情况。此外，我们还对具有不同叶型的模型泵进行了外特性和汽蚀性能的试验研 究，将试验结果与数值计算结果进行对比分析。在研究的过程中，通过理论与工程实际相 结合，为提高离心泵汽蚀性能、水力效率、降低能耗提供一定的理论依据。 本课题来源于国家自然科学基金项目（Ｎｏ．５０９７６１０５：２０１０．０１．２０１２．１２）：不同叶片形 状的开式叶轮离心泵内部流动特性研究。浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究１．２开式叶轮离心泵内部流动研究现状开式叶轮除了在航空航天燃料泵等领域得到运用外，在石油工业、建筑消防等领域也 得到了广泛的应用。由于只有后盖板，相对于常规叶轮来说，开式叶轮便于加工制造。并 且开式叶轮与壳体之间的间隙较大，因此能够输送含有微细杂物、粘性的介质，性能曲线 比较“平坦”运行平稳可靠。图ｌ为开式叶轮离心泵的性能曲线。图１．１开式叶轮离心泵性能曲线由于开式叶轮离心泵具有以上的这些优势，因此，它在日常生活和国民生产中的应用 越来越广泛。近年来，随着国内外石化工业和航天技术的不断发展，各行业对开式叶轮离 心泵的需求也越来越急切，可见，开式叶轮离心泵在国内也占据着巨大的市场份额，并且 有着重大的发展前景。开式叶轮离心泵主要用作航空航天领域的燃料泵ｆ２］ｌ ３１，另外还从国 外大量引进了开式叶轮离心泵。在国内外一些学者对离心泵也进行过一定的研究，但是针 对开式叶轮低比转速离心泵的研究相对较少，并且还未能形成一定成熟程度的技术理论基 础。 针对离心泵的研究主要包括数值模拟、理论分析以及试验研究三种方法。目前，在试 验研究方面，国内外许多学者也已经进行了一定程度的研究。在国内，关醒凡系统介绍了 不同类型泵的各种性能参数的测量方法、不同试验装置系统以及试验结果的获取和处理等方面的内容【４】；袁寿其通过正交试验研究了主要几何参数对离心泵最大轴功率及其流量点的影响，并且在文中也推导了离心泵最大轴功率值及其流量点的计算公式。结果表明，轴 功率并非随流量的增大一直呈现增大趋势的，轴功率也存在最大值，并且这个结论与理论 分析也是相符的，这就为设计出具有优良轴功率性能的低比转速离心泵提供了一定的基 础。此外，合理的几何参数的选择是达到泵设计指标效率直的前提和保证【５】。朱祖超为了浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究探讨叶轮的结构及参数对泵性能的影响，通过试验研究了一高速开式离心泵。试验发现， 泵的扬程系数较高，且当试验的工况一定时，蜗壳喉部的面积是决定泵工作范围的主要因 素【６１。孙荪等人采用ＰＩＶ技术对半开式叶轮离心泵在三种工况（即小流量点、设计流量点 和大流量点）下进行了内部流动的测量与分析。试验选择了不同位置的观测点进行了测量。 此外，文中介绍了试验测量的装置和测量方法，测量结果表明，ＰＩＶ测量技术能够获得这 个叶轮内部的流速分布情况，揭示了半开式叶轮离心泵的内部流动特性，由于受蜗壳的影 响叶轮内部的流动呈现一定的非对称性１７ｊ。李光智等通过试验的方法研究了离心泵内部损 失对效率的影响。结果表明，水力损失和容积损失对开式叶轮离心泵效率的影响较大，这 与半开式叶轮只有后盖板的结构有一定的关系ｆ刖。操松林等对开式叶片泵进行了实验研究， 对泵体与叶轮之间的间隙对泵性能的影响进行了分析。研究对比研究发现，半开式离心泵 和混流泵的间隙在０．３．０．６ｍｍ时泵的性能最好，而对于轴流泵来说，间隙在０．０８．０．１２ｍｍ 的范围之间时泵的性能可以达到最优【９】。裴毅等实验研究了泵运转过程中转速的变化对性 能的影响，实验对开式和闭式的实验回路分别进行了研究，并结合实际的实验数据和模拟 的计算结果对转速对功率的影响进行了详细的分析。实验得出，在开式系统中泵的效率受 静压的影响较大，同时还得出闭式系统的效率是开式系统效率７６％，开式系统的性能较优ｆ】Ｏ】Ｏ陈茂庆等通过理论研究给出了开式泵的水力设计公式，然后通过试验的方法对其水力 设计公式进行了验证；此外，还对闭式叶轮离心泵和半开式叶轮离心泵分别进行了试验研 究，通过对两种叶轮离心泵性能试验以及叶片端面和承磨板间隙的试验研究，结果表明， 闭式叶轮离心泵的性能优于开式叶轮离心泵，叶片端面和承磨板间隙对离心泵的性能产生 一定的影响，在一定流量下，扬程和效率随间隙值的增大而降低【¨】。孙德明等主要运用加 大流量设计法对切线泵进行了研究，文中主要介绍了加大流量设计法的设计原理并通过实 例验证了，通过此方法可以提高离心泵的效率，为了验证此方法的可行性，文中选取了一 系列泵做了相应的验证，通过实践发现加大流量设计法对小流量工况的效果比较明显，这对提高低比转速离心泵效率提供了一定的参剖１２】。张德胜等对低比转速离－６＂－泵进行了１０种不同设计方案的设计，并对设计的泵的静压、速度、湍流度等内部流动特性进行了模拟 分析。通过实验研究进行对比结果表明，第四种设计方案下设计的泵性能最优【ｌ ３｜。 近年来，随着计算机性能的提高和计算流体力学ＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ 快速发展，Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）ＣＦＤ技术己成为研究各种流动问题的强有力的工具，通过ＣＦＤ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，己成为现代水泵技术的重要气浙江理工大学硕士学位论文 手段之一。不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究崔宝玲等采用ＣＦＤ软件Ｆｌｕｅｎ对一台具有诱导轮的开式叶轮离心泵进行了研究，数值 计算采用Ｎ．Ｓ控制方程和ｋ一占湍流模型，主要对叶轮、诱导轮以及蜗壳内部的压力分布以 及内部流动情况进行了分析研究，结果表明，蜗舌区域的流动为不均匀流动，并且叶轮内 部的流动也存在不均匀性和二次流现象。因此，认为离心泵效率低与叶轮和蜗壳内部流动 的不均匀性有关。此外，作者将数值计算预测的外特性与试验所得的外特性曲线进行了对比，从而验证了数值计算的可靠性和准确型Ｍ】。徐朝晖，吴玉林等为了研究带诱导轮离心泵中流体对诱导轮叶片的作用，文中利用数值模拟的方法对某一高速泵进行了数值计算。 计算结果表明，在诱导轮内部存在压力脉动，且部分流体产生的压力脉动对叶片产生谐振， 从而引发诱导轮产生裂纹。因此若使诱导轮能够长时间平稳运行，则诱导轮应该在这个谐 振区域范围之外运转【”】。张剑慈等采用Ｎ．Ｓ方程和Ｓ．Ａ湍流模型对开式直叶片的叶轮流场 进行数值模拟，并通过实验对模拟的结果进行验证。经过对比发现，数值模拟的精确度较 高，并且总结了泵的性能受内部流场影响的变化规律，为泵性能的提高和优化设计提供了 很好的基础，此外还运用多块网格技术对开式的辐射形和弧形叶轮进行了数值模拟和实验 研究。通过两者对比发现，数值模拟结果与试验结果比较吻合，对不同叶形的叶轮流场的 研究提供了良好的参考‘１刚１１７］。 在国外，一些学者也对开式叶轮离心泵通过不同的方法进行了研究。Ｈａｒａｄａ为了研究 不同形式叶轮的离心泵的性能，采用闭式叶轮与开式叶轮分别对其性能进行了分析和研 究，研究结果表明，在小流量点处，开式叶轮的性能要高于闭式叶轮，与开式叶轮相比， 闭式叶轮稳定运行的工况范围较小【１８】。Ｈｏｗａｒｄ等分别对开式叶轮与闭式叶轮流道内部的 流动情况进行了测量，研究结果表明，叶轮内部存在二次流动，在叶轮进口处有旋涡产生， 且在前盖板和后盖板处分别发展成为两个涡流１１９１。Ｋｒａｉ为了研究半开式后弯叶轮离心泵的 内部流动情况，采用激光测量系统对一离心泵进行了测量【２０１。此外，Ｒｏｈｎｅ与Ｂａｎｚｈａ利用 Ｌ２对半开式叶轮离心泵进行了测量，通过测量叶轮内部的速度流动情况，对“射流”结构 进行了理论分析研究，同时也与叶轮径向速度进行了对比【２ｌ】。Ｐｌｕｔｅｃｋｉ等在不同问隙下对 四种不同叶型的半开式叶轮进行了试验研究，通过试验研究了叶轮与盖板间的间隙对泵的 扬程、效率以及汽蚀性能所产生的影响【２２１。Ａｂｒａｍｉａｎ【２３１，Ｕｂａｌｄｉｌ２４１等为了研究离心泵内部 的流动状态，选取了开式叶轮和常规叶轮低比转速离心泵作为研究对象，采用激光多普勒 测速仪对其进行了测量分析，试验测量了叶轮内部的速度分布情况以及射流．尾迹结构等， 为进一步研究以及数值预测提供了一定的参考依据。４浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究１．３汽蚀特性的研究现状汽蚀现象普遍存在于水泵、水轮机以及螺旋桨等各种水利机械中，随着机械逐渐向高 速的方向发展，汽蚀越来越成为水利机械中至关重要的研究热点。国内外学者针对汽蚀的 初生、发展以及溃灭进行了一些研究，同时对汽蚀的产生机理也进行了大量的研究。其中由Ｋｎａｐｐ Ｒ Ｔ．提出的“气核理论”认为液体中一直存在着一些微小的气泡（即核子），这些微小的核子会随着液体中压强的降低而逐渐膨胀，形成气泡，从而导致汽蚀的产生。此外， 许多专家对于该理论也提出了各种不同的设想【２川。Ｈａｒｖｅｙ Ｅ Ｎ．等人提出不能溶解的气核可 存在于非亲水性的固体缝隙中，在此情况下，其表面的张力起了减小压力的作用，因此气 体并非被迫溶解，而仍然可能保持气相【２６｜。高秋生针对“气核理论”作了进一步深入的探 讨，得出在平面完全平衡的状态下，液体内部是不稳定的，不可能稳定的存在纯蒸汽泡， 气核只能在憎水性裂隙中稳定存在。随着科学技术的进步和发展、测量仪器和测量手段的提高㈣，激光散射法㈣超声波澍２９１以及水动力学法１３０】等测量方法均证实了气核的存在。潘中永等根据汽蚀余量的计算公式分析了影响泵汽蚀特性的因素【３１１。易运池对某一种 微型泵汽蚀的机理进行了试验研究，在研究过程中开展了汽蚀两相流的理论研究，同时也 对微型泵进行了三维非定常汽蚀性能的计算，建立了微型泵汽蚀性能的预测模型【３引。倪永 燕等对一低比转速离心泵进行了试验研究，主要对离心泵的出口压力波动特性和汽蚀性能 进行了分析研究，通过分析试验数据中离心泵的装置汽蚀余量和出口压力波动之间的关系 可知，汽蚀是否存在于离心泵的出口压力波动特性有明显的对应关系ｐ ３ｌ。 刘宜等人采用Ｆｌｕｅｎｔ对离心泵在汽蚀工况下对其内部的流动情况进行了非定常数值计 算，结果表明，在非定常情况下，离心泵叶轮各个叶片上气泡相分布于实际观察到的结果 是一致的；此外也发现，当离心泵内部有较少气泡产生时，外特性变化不大，随着气泡的 不断增多，气泡就会堵塞流道，破坏流体的连续性，对泵的性能产生一定的影响。因此， 离心泵性能的下降与叶轮内部发生汽蚀的区域不断增大有较大关系，同时也影响到离心泵 的平稳运行。这一结果与理论基本吻合，说明数值计算是可靠的，能够在一定程度上反应 离心泵内部的真实流动状态，并且为改善离心泵汽蚀性能提供一定的参考依据【３４】【３５］【３６１。 刘德民等为了研究诱导轮对离心泵汽蚀性能的影响，对带诱导轮的离心泵进行数值计 算。通过对同一离心泵分别安装一级、两级和三级别诱导轮来进行对比分析。文中分别分 析研究了离心泵产生汽蚀的原因、诱导轮的特点以及诱导轮与离心泵的配合作用对汽蚀性 能的影响。研究结果表明，叶轮前端添加诱导轮是提高离心泵汽蚀性能可靠有效的方法。浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究此外，针对文中的模型泵，叶轮前端安装两级诱导轮时汽蚀性能较好，且能够较大程度的 增加离心泵的扬程Ｉ”１。 付强等利用ＲＮＧ ｒ一占湍流模型模拟分析离心泵的汽蚀以及汽蚀与震动之间的关系。 发现设计工况下的汽蚀引起的震动是最小的，当外界条件固定时，汽蚀的发生区域及气泡 大小也是固定的，外界条件改变会引起汽蚀区域大小及持续时间的改变从而影响离心泵的 性能。在大流量工况下，汽蚀主要发生在叶轮出口处：在小流量工况下，主要发生在叶轮 进口处。汽蚀现象越严重，则震动也就越明显，叶轮出口处是汽蚀经常发生的区域，同样 也是震动经常发生的区域。因此，我们必须正确合理的设计进Ｅｌ处的几何形状１３ ８１。 王勇等本文通过Ｍａｔｌａｂ ７．０建立神经网络拓扑关系，分析了三种不同转速下的离心泵 在设计流量下的几何参数和净正吸入压头之间的关系，以此来预测离心泵的汽蚀性能，同 时也是用了标准的ｒ一占湍流模型，混合多相流模型和ＳＩＭＰＬＥＣ算法计算进口速度和出口 压力之间的关系来预测汽蚀性能。结果表明利用数值模拟和神经网络得到的预测值非常接 近真实值，但是两种方法也都有自身的局限性。数值模拟需要大量时间建模和计算才可以 得到离心泵中汽蚀的特性；神经网络需要进行繁琐的仿真训练，才可以提高预测精度和简 历进出口参数变量关系。因此，要得到精确的预测结果，需要适当的选用这两种方法【３９】。 叶晓琰等为了改善离心泵汽蚀性能，采用ＣＦＤ技术对汽蚀工况下离心泵内部流场进行 数值模拟并与实验结果进行对比分析，结果表明ＣＦＤ技术能够较准确预测离心泵汽蚀性能 １４０１。江苏大学朱荣生【４１】１４扪、黄道见ｆ４３１采用两相流混合模型对叶轮内部汽蚀流场进行了数值 计算，通过计算得到了叶轮内部气泡相的分布情况以及汽蚀发生过程中叶片上的压力分布 情况，根据计算结果中气液两相的流动特性揭示了叶轮内部两相流的流动机理。 罗先武，刘树红等针对二维叶片，倾斜叶片两种不同叶片形式的开式叶轮微型泵进行 了数值计算，并且进行了汽蚀性能实验。数值计算采用了标准ｋ＿￡湍流模型和ＶＯＦ多相流 模型。计算结果表明，离心泵的汽蚀性能随着叶尖轴向间隙的增大而下降；对半开式叶轮， 采用倾斜叶片的叶轮可以提高微型泵水力性能和汽蚀性能。研究显示，叶轮进口流动均匀 是汽蚀眦ｌ－ｒ＂厶匕ＨＩ：得到改善的重要原因【４４Ｊ。 汽蚀现象普遍存在于水力机械中，汽蚀会对水力机械零部件造成一定的腐蚀破坏，严 重时还影响机械的正常运行。对于离心泵而言，汽蚀依然是其面临的一个难题。因此，对 汽蚀产生的整个过程以及汽蚀对流场产生的影响的研究具有重要现实意义。 Ｋｎａｐｐ，Ｄａｉｌｙ等对汽蚀现象作了较为完整的研究【４５ ｏＡｍｄｔ［４６１、Ｖｏｇｅｌ［４７１和Ｂｏｎｎｉｎｇｔｏｎ［４８】 分别针对旋涡汽蚀产生的震动、噪音等问题作了专门研究，阐述和分析了一般水力机械中６浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究的汽蚀形式和水力特性。Ｍ．Ｒ．Ｎａｓｉｒｉ等为了研究汽蚀对泵体振动的影响，采用神经网络法 对由汽蚀引起的振动进行了分析【４９１。Ｓｕｒｅｎｄｒａ Ｎ．Ｇａｎｅｒｉｗａｌａ等通过测量离心泵的振动，压 力和噪音，研究分析气蚀开始和充分发展两个阶段的现象。并且使用透明的模型和有颜色 的水观察到了气蚀。实验发现泵径向方向上比轴向方向上具有更高的振幅，这可能是由于 轴向方向上的刚度较低；此外气蚀现象可能会激发叶轮叶片高频结构的共振频率，而较大 的空间则可以减少叶轮叶片振动的振幅。 山本隆羲等为了确保泵在安全稳定的状态下正常运行，采用加速度传感器来采集泵运 行时的数字振动信号，通过这些信息可以分析当前泵的汽蚀强度。然后，通过进一步的分 析和研究可以得到泵的过流部件在不同部位所受到汽蚀的破坏程度。从而判断泵是否能在 当前的状态下安全平稳的运行【５０】。此外，法国的Ｒｏｕｓｓｅｌ通过速度传感器采集得到的泵在 汽蚀状况下运行时的振动信号，然后，根据得到的信号对离心泵的振动特性诊断以分析泵 的故障起因并为维护工程师提供维修最佳方案就【５¨。Ｊａｎ Ｃｅｍｅｔｉｃ采用实验的方法针对利用可听得到的噪声和振动信号对离心泵汽蚀现象的各种检测方法进行了不确定性的估计，尤其是对在较大的频率范围和离散频率下的汽蚀 检测的不确定性进行了分析【５２１。Ｍ．Ｃｈｕｄｉｎａ在实验过程中利用汽蚀产生的噪声，采用噪声 谱结构来测量汽蚀的初生以及发展过程，从而阻止汽蚀的进一步发展。实验结果表明，离 散频率在１４７Ｈｚ时的噪声主要是由汽蚀引起的。因此，可以利用１４７Ｈｚ时的频率来确定泵 的汽蚀余量以及控制泵的运行【５３】。Ｃｕｄｉｎａ为了研究汽蚀性能的预防和保护，作者对一离心 泵在汽蚀工况下进行了研究。通过分析离心泵发出的声音，发现频率为１４７Ｈｚ的音频汽蚀 产生的过程有很大关系。单独对此频率的声音信息进行深入的分析研究之后发现，离心泵 汽蚀产生的初期以及汽蚀的强度都可以通过这些声音信息来进行判断和检测，此外，该方 法还可以用于必须汽蚀余量和临界汽蚀余量值的确定。通过此种方法来实现离心泵汽蚀的 保护ｌ”１。 Ｆ．Ｏ．Ｒａｔｈｂｕｎ等对一台液体火箭发动机泵进行实验，通过频谱分析获得泵内部流动产 生的声音、振动、压力等信号数据，试验说明了，通过频谱分析汽蚀在不同阶段所产生的 不同信号特征可以很好的研究泵内的汽蚀状况【５５】。Ｓｔａｎ Ｓｈｉｅｌｓ通过实验对离心泵汽蚀的发 生进行了分析。实验表明，离心泵抗磨环和密封环处的缝隙与离心泵的有效气蚀余量有关。 短期内的高速流体会对密封环产生破坏，同时会伴随着严重的汽蚀发生１５ ６１。ＲｏｂｅｒｔＸ．Ｐｅｒｅｚ等使用ＦＦＰＩ压力传感器，对离心泵的汽蚀现象进行了分析。通过实验获得了离心泵的动态压力脉动与气蚀余量的关系，结果表明当汽蚀余量显著下降时，离心７浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究泵的动态压力脉动会显著增加。同时ＦＦＰＩ压力传感器具有高度的敏感可以用来检测水力 现象中的汽蚀等不稳定现象【５７】。 ＪｏｓｅｐｈＡｓｋｅｗ分析了导致汽蚀的各种原因，提出通过减小叶轮汽蚀余量、增大泵尺寸、 加诱导轮等方法来减小泵汽蚀余量，同时可通过增大装置汽蚀余量以及选择合适的泵部件 材料这三种方法来提高泵的汽蚀性能【５引。Ｃｈｉｋｅｚｉｅ Ｎｗａｏｈａ指出离心泵内流体中溶解的空 气、回流、进口流动不稳定以及输入过多的空气均会导致流体中形成气泡，进而在一定条 件下产生汽蚀。并指出通过适当降低输送流体的温度、降低离心泵运行转速等方法可以提 高泵的抗汽蚀性能，并且可以通过判断泵工作产生的噪音以及运行功耗的增大来判断汽蚀 的发生【５９１。Ｊｉｎ．Ｈｗａ Ｋｉｍ等指出诱导轮能有效改善离心泵的汽蚀性能，并通过传感器测量 不同工况下诱导轮进出口在发生汽蚀时的压力波动来研究诱导轮内的汽蚀形式。实验发现 增大流量系数会导致诱导轮出口部分更容易产生汽蚀【６刚。 Ｓｉｎｇｈａｌ等人发展了完整的汽蚀模型和混合流体两相流模型。在模型的建立过程中，考 虑到了汽蚀流动中可能含有不凝结的气体，同时也考虑到了汽蚀流动过程中的相变以及湍 流压力脉动等的影响【６¨。Ｒｉｃｈａｒｄ Ｂ．Ｍｅｄｖｉｔｚ等人在汽蚀发达的情况下，采用多相流模型对 离心泵内部的流动状态进行了数值计算，通过数值模拟对离心泵的性能进行了分析研究１６２］。Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈｓ和Ｇｔｉｎｔｅｒ Ｋｏｓｙｎａ对两个相似的低比转速离心泵叶轮进行了实验研究。实验表明在不同的部分载荷运行点，这两个叶轮都发生了汽蚀，使得扬程曲线的落差与其他正 常的运行点比起来变得缓慢。此外，通过高速摄像仪说明了有汽蚀引起的叶轮内部不稳定 性主要是由空泡尾端区域和后一叶片的相互作用引起的【６３１。Ｓ．Ｐｕｐｌａａ等通过实验的方法分 析瞬间汽蚀现象对泵启动阶段时的影响。结果表明，在瞬态汽蚀状况下会产生各种不同的 非定常特性【删。Ｒｕｄｏｌｆ Ｂａｃｈｅｒｔ等人对离心泵汽蚀工况下隔舌区域进行了非定常研究，同 时通过摄像机记录下发生汽蚀的位置和汽蚀损伤的程度。结果表明，周期性的汽蚀结构发 生在每一个叶轮流道内，并且认为扬程下降的３％可能是由蜗壳隔舌部分的汽蚀引起的， 高压区汽蚀的不稳定性对固体表面造成腐蚀【６川。Ｂｅｎｏｉｔ Ｐｏｕｆｆａｒ等人通过数值模拟分析得到 扬程落差与叶轮提供的转矩减小有关，同时也分析了局部流动情况和汽蚀损伤的变化情 况，通过分析可知数值模拟能够为叶轮机械的设计提供有用的信息，对于汽蚀工况下非定 常的研究正在进行中【６引。Ｍｅｄｖｉｔｚ在汽蚀工况下分别对某一离心泵进行了定常和非定常汽 蚀性能的研究，采用两相ＲＡＮＳ模型对其进行数值计算，然后将计算结果与试验结果进行 对比分析，结果表明数值计算结果与试验结果基本保持一致，从而验证了数值计算的可靠性１６７１。Ｒ浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究综上所述，国内外众多学者对于离心泵已经进行了一定的研究，且主要是通过试验的 的研究方法，或数值计算与试验相结合的研究方法对离心泵的内部流动情况进行分析研 究。尽管在对离心泵的研究方面已经取得了一定的进展，但是针对低比转速离心泵的研究 却较少，尤其是对全开式叶轮离心泵的相关研究很少。因次，本文对全开式叶轮低比转速 离心泵的研究具有一定的意义。１．４本文研究的主要内容本文采用ＣＦＤ软件Ｆｌｕｅｎｔ和Ｐｕｍｐｌｉｎｘ分别对直叶片全开式叶轮离心泵和弯叶片全开 式叶轮离心泵在非汽蚀工况下进行数值计算和汽蚀数值模拟，针对不同叶型在不同流量点 处叶轮内部的流场流动状态以及同一流量点处叶轮内部汽蚀特性分别进行了分析，揭示了 不同叶型对叶轮内部流动情况、内部空泡的体积分数分布以及汽蚀性能的影响，并对其进 行了外特性试验以及汽蚀性能试验。 本文工作主要内容如下： （１）运用Ｐｒｏ／Ｅ建模软件对两种不同叶型的全开叶轮离心泵的不同计算区域进行实体 建模，其中主要包括诱导轮部分、叶轮部分以及蜗壳部分。进行整机装配后，利用Ｆｌｕｅｎｔ 前处理软件Ｇａｍｂｉｔ对计算模型进行网格的划分，然后在非汽蚀工况下进行数值计算并对 计算结果进行对比分析。 （２）为了研究叶型对离心泵汽蚀性能的影响，本文分别对两种不同叶型的全开式叶 轮离心泵在汽蚀工况下进行了数值模拟。根据计算结果分析同一时刻不同叶型叶轮内部的 空泡体积分数分布和同一汽蚀余量不同时刻下不同叶型的空泡体积分数分布，从而得出叶 型的变化对离心泵汽蚀性能的影响。 （３）本文对直叶片全开式叶轮离心泵和弯叶片全开式叶轮离心泵在同一试验台上分 别进行了外特性试验研究和汽蚀性能试验研究。通过试验，可得到不同流量点的扬程、效 率等曲线以及汽蚀性能曲线。然后，将数值计算结果与试验结果进行对比分析，总结叶型 对离心泵内部压力、速度分布以及流动流动细节的影响，此外，还通过汽蚀工况下的数值 计算，结合试验分析了叶型对叶轮内部汽蚀性能的影响。为提高离心泵的效率，改善离心 泵的抗汽蚀性能，降低噪声和振动，提高运行的平稳性提供一定的参考。９浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究第二章离心泵非汽蚀工况下的数值计算由于低比转速离心泵体积小且结构复杂，旋转的叶轮与蜗壳之间产生动静部件之间的 相互干涉作用，因此，离心泵内部的流动是一个极其复杂的三维粘性的非定常流动。 本文采用ＡＮＳＹＳ公司提供的软件Ｆｌｕｅｎｔ对两种具有不同叶型的全开式叶轮低比转速 离心泵在非汽蚀工况下进行了数值计算，分析了不同叶型叶轮离心泵在不同工况下内部的 压力、速度分布情况。本章主要介绍模型离心泵的三维几何建模、模型的前处理、边界条 件的设定、数值模拟的计算方法介绍以及计算结果的后处理分析。２．１离心泵的主要几何参数和三维模型本文的主要研究对象是直叶片全开叶轮离心泵和弯叶片全开叶轮离心泵。模型泵的设 计参数为流量Ｑ＝３ｍ３／ｈ，扬程Ｈ＝５０ｍ，转速ｎ＝２９００ｒｐｍ，比转速ｎｓ＝１ ６．２５，属于低比转速 离心泵。该离心泵的主要过流部件包括诱导轮、叶轮和蜗壳，这里采用三叶片的变螺距诱 导轮，其轴向长度为６２ｍｍ，如图２．１所示。模型泵主要的几何参数见表２．１。表２．１半开叶轮主要几何参数其中：６ｌ一叶轮进口宽度；６２一叶轮的出口宽度，局一叶轮进Ｅｌ安装角；卢卜叶轮的出Ｅｌ安装角，Ｄｌ一叶轮进口直径；Ｄ２一叶轮的出口直径；卜叶片数图２．１三叶片变螺距诱导轮浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究本文所采用的为环形蜗壳，即蜗壳断面形状为圆形。如图２．２为蜗壳的三维模型图， 低比转速离心泵采用环形蜗壳时，水力性能得到提高，并且其设计比较简单，易于进行加 工制造，所以被广泛采用。图２．２蜗壳三维图开式叶轮只有叶片及叶片加强筋，无前后盖板，结构紧凑，无振动，运行平稳可靠。 适用于输送工艺流程中含有悬浮固体的介质。本文所研究的这两种不同叶型的开式叶轮均 有８个叶片，一个为全开直叶片叶轮，一个为全开后弯叶轮，如图２．３所示。其中两个叶 轮离心泵的叶顶间隙均为ｌｍｍ。』 ＼一型 渤（ａ）直叶片全开式叶轮兮｛ｏ卜―～一（ｂ）弯叶片全开式叶轮（ｃ）叶项间隙示意图图２．３两种不同叶型全开叶轮结构及叶顶间隙示意图本文选用三维造型软件Ｐｒｏ／Ｅ对各个过流部件进行实体造型，主要过流部件包括诱导 轮、叶轮和蜗壳。如图２．４为各个过流部件的整机三维装配图。浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究（ａ）弯叶片离心泵 图２．４整机三维装配图（ｂ）直叶片离心泵２．２数值计算方法２．２．１网格划分 将在ＰｒｏＥ三维建模软件中建立的整机模型以ＳＴＥＰ格式输出，在Ｇａｍｂｉｔ中进行网格 划分。对于结构复杂的模型而言，很难完全进行结构化网格的划分，一般采用结构化网格 与非结构化网格的混合网格来进行网格划分，采用这种方法划分网格比较容易成功，并且 质量也相对较高。对于结构简单的规则结构则可采用六面体网格进行网格划分。文中由于 进出口处延伸段结构较为简单，则采用六面体网格进行网格划分；而诱导轮、全开式叶轮 以及蜗壳流道的结构比较复杂，故采用非结构化的ＴＧｒｉｄ网格来进行划分。Ｍｉｇｕｅｌ等人１６８Ｊ 的研究表明，网格数的增加时，由网格所引起的误差会相应的较小，直到最后误差消失， 这就是所谓的网格无关性。如表２．２所示。为了避免因网格带来的计算误差，本文针对不 同叶型的开式叶轮离心泵，分别实验了６种不同的网格数进行网格无关性检查，各部分的 网格数如表２．２所示。图２．５分别为诱导轮、叶轮与蜗壳网格示意图。表２．２整机计算域的网格数１２浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究（ａ）直叶片叶轮（ｂ）弯叶片叶轮（ｃ）诱导轮（ｄ）蜗壳 图２．５网格示意图（ｅ）整机网格２．２．２边界条件应用商业软件Ｆｌｕｅｎｔ对离心泵内部流场进行数值计算时，选择正确的边界条件是得出 准确结果关键的一步。 （１）进口边界条件 进口边界设置为速度进口（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｉｎｌｅｔ），该边界条件适用于不可压缩介质，本 文的流体介质为清水，近似看做不可压流体。设定进口速度方向与模型泵进口截面垂直， 其大小由进口流量以及进口处的过流面积决定。其中，进口湍动能七和耗散率ｓ经验公式 为：七：三（材，）２、７２－（１）浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究三ｋ３／２ｓ＝Ｃ４：： ”，Ｚ２一（２）式中，，为湍流长度比；Ｃ，，值取０．０９１８２１。 （２）出口边界条件 在对模型泵进行数值计算时，无法提前预知道其出口压力及速度，本文选择自由流出 边界（Ｏｕｔｆｌｏｗ），在采用自由流出边界条件时，由于模型泵出口截面通道大小没有发生变 化，因此，在计算时，采用完全发展流动假设分布在流动方向上不变化。 （３）固体壁面条件 对于进出口以及蜗壳部件，由于其静止不动，固壁条件设置为静止壁面；诱导轮和 叶轮为旋转部件，因此，固体壁面均设置为无滑移的边界条件，在近壁面处采用标准壁面 函数。２．２．３数学模型 本文米用两业ＣＦＤ软件Ｆｌｕｅｎｔ分别对直叶片全开叶轮和弯叶片全开叶轮离心泵内部 流场进行数值模拟计算，输送介质为常温清水，而针对以常温常压下清水为介质的全开式 叶轮离心泵，其内部流动过程不考虑热量传递和流体介质温度的变化。下面针对本文所研 究的模型，在数值计算过程中所选用的基本方程、标准的盯一ｓ湍流模型以及壁面函数分别 作简单介绍。 （１）基本控制方程 １）连续方程如下：望＋皇逊＋塑！＋―ａ（ｐ―ｗ）：０ａｔ ａｘ ａｖ ８ｚ２－（３）此处引入矢量符号：ｄｉｖ（妒挚＋孕＋孕 化Ｏｘ２－（４）０３＇即：鲁＋ｄｌＶｄｉ（∥）＝０１４２－（５）其中ｐ一液体密度，ｆ一时间，Ｕ、ｖ和Ｗ分别是速度矢量在Ｘ、Ｙ和ｚ方向上的分量。浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究假定文中所用模型泵中的流体不可压缩流体，密度Ｐ为常数，即可得出：孚＋宴＋掣：０ 一＋――＋――＝ ａｚ 瓠 巩２）动量方程如下：２－（６）一Ｏ（ｐｕ）＋ｄｉｖ（删：一孚＋挚＋孥＋冬＋ｅ 掣Ｏｔ＋ｄｉＶ（删＝一挈ｏｙ＋孥ｃ）ｘ＋孕ｏｙ＋誓＋‘ＯｔＯｘ Ｏｘ ａｖ０ｚ２－（７）院２－（８）掣Ｏｔ＋ｄ．Ｖ（∥炉一孚Ｏｚ＋等＋孥ｏｙ＋孕Ｏｚ＋ｔＯ％２－（９）式中，ｐ一微元体上分布的压力；ｒ一粘性应力；ｆ。、Ｔｘｙ和丁。等是作用在微元体上ｆ的分量；ｆ、ｔ和ｔ是微元体上的体力。 对于牛顿流体，则有：ｋ＝２∥罢＋刎Ｖ（珐～可Ｆ＝∥（考＋塞）ｄｘ ＯｖＯｘ～＝２∥象＋朋ｉＶ（姑吒＝ｋ＝∥（老＋尝）铲２∥警圳咆ｎ弦＿刊瓦Ｏｖ＋爹式中，２－（１。）兄一第二粘度，∥一动力粘度，一般取Ａ＝－２／３，将式２一（１０）代入２一（７）至２一（９）掣Ｏｔ＋ｄｉＶ（删：ｄｉＶ（脬砌）一塞城ａＸ丝Ｏ型ｔ＋ｄｉＶ（∥材）＝ｄｉＶ（腭ｒａｄＶ）一挈ｏｙ＋ｓ。百Ｏ（ｐｗ）＋ｄｉＶ（∥沪ｄｉＶ（／『』ｇｒａｄｗ）一老城，２－（１ １）式中：ｇｒａｄ（）＝ａ（）／巩＋ａ（）／砂＋ａ（）／瑟，Ｓ。、Ｓ，和Ｓ。是动量方程的广义源项， Ｓ。＝Ｅ＋ｓ，，Ｓ。＝‘＋ｓ，，Ｓ。＝ｅ＋ｓ：；对于粘性不可压缩流体，Ｓ，、Ｓｙ及ｓ：这三项值均浙江理工大学硕士学位论文 为０【７０１。不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究（２）标准Ｋ．￡湍流模型 标准的盯一ｓ湍流模型中的盯方程是通过严格的方程推导出来的，而占方程式根据量纲 分析、经验和类比等办法模化得到的。在推导方程的过程中，假设流体是完全的湍流流动， 同时忽略分子粘性的影响，因此标准ｒ―ｓ湍流模型适用于完全湍流的流动。本文在数值计 算的同时也采用ＲＮＧⅣ．ｓ湍流模型进行计算，计算结果表明，标准Ｋ一占湍流模型比较实用 与本文研究模型，具有较好的收敛效果。 １）标准ｒ一占湍流模型方程 假设模型泵中采用的是不可压缩的流体，则标准的Ｋ一占湍流模型中湍流耗散率ｓ和湍 动能Ｋ的方程分别为：ｐ告＝杀№＋等，筹卜Ｇ。一伊２刈２，ｐ告＝毒№＋箦，争蚂。昙Ｇ。一ｃ：印ｐ譬其中，Ｇ。一湍动能的生成项，ｒ和占的表达式如下：２羽３，Ｇｒ一似甜Ｊ吾 叭． 茁：土甜。’材，’，ｓ：ｖ堕盟 ｊ甜，材，，ｓ茁２ ２２。（１４）Ｖ蒜２．（１５） ２‘（１））２）湍流粘度 湍流粘度从由ｒ和￡计算如下：以：心。竺式中，巴为常数。３）模型中的常数２．（１６）模型中用到的常数Ｃｌ。，Ｃ２。，巳，仃。和吒的根据经验可分别取值为：Ｃｌ。＝１．４４，Ｃ２。＝１．９２，巴＝０．０９，Ｏ－。＝１．０，Ｏ＂Ｅ＝１．３ ２．３计算结果分析１＾浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究本章对两种不同叶型的全开叶轮离心泵在非汽蚀工况下对不同工况进行了数值计算。 分别对不同叶型离心泵内部流场进行了分析对比，得出不同叶型在不同工况下对离－１３、，泵内 部流场的影响。研究内容如下：（１）不同工况下不同全开式叶轮中截面的压力分布、流线 分布以及诱导轮内部流道的压力分布（２）设计流量点下不同叶型圆周方向以及蜗壳壁面 的压力、速度分布。２．３．１压力分析为了分析两种不同的全开式叶轮离?ＩＬ、，泵在小流量、设计点以及大流量工况（即Ｏ．４ Ｑｄ、１．０Ｑｄ、１．７ ｑｄ）下离心泵内部的流动特性，由于本文所用模型泵采用加大流量法进行设计的，因此选取１．７ Ｑｄ流量点处进行分析。本文分别对叶轮中截面的静压、诱导轮吸力面和 压力面的压力分布以及交界面和蜗壳壁面沿圆周方向的压力情况进行了分析。 （１）中截面静压分布３ ８ ００ Ｏ ０ ３ ４ ２Ｏ Ｏ ０ ３ ０ ４Ｏ Ｏ ０ ２ ６ ６Ｏ Ｏ ０ ２ ２ ８Ｏ ０ ０１ １３ ８ ０ ００ Ｏ ３ ４ ２ ００ Ｏ ３ Ｏ４ ００ Ｏ ２ ６６ ０ ０ ０ ２ ２ ８ ＯＯ Ｏ １ ９ ００ ０ ０ １ ５ ２０ ０ ０ １ １ ４Ｏ ０Ｏ ７ ６ ００ ０９ Ｏ ０Ｏ ０ ５ ２ ００ Ｏ１ １ ４ ００ Ｏ■ ＵＨ 圈＿７ ６ Ｏ ０Ｏ ３ ８ ０ ００豳圈ＨＨ口Ｈ圈■３８ ００ ０ ００ｐｒｅｓｓｕｒｅ００００ｐｒｅｓｓｕｒｅ０００ ０００ ０００ ０００ ０００ ０００ ０００ ０００２０００４０００ ６０００８０００ ００００ ２０００ ４０００ ０００ ０００■圈Ｈ 曰Ｈ冒００ ００浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究ｐｒｅｓｓｕｒｅ３８ ０ Ｏ Ｏ Ｏ３８Ｏ０Ｏ０ ３４２ＯＯＯ ３Ｏ４Ｏ００ ２６６０００ ２２８０００ １ ９ＯＯ００ １ ５２００Ｏ １ １ ４ＯＯＯ ７６０Ｏ０ ３８０００ Ｏ３４ ２Ｏ００３Ｄ ４ Ｏ ０ ０２６ ６ ０ ０ ０２２ ８ ０ ０ ０ １９００００ １ ５ ２ Ｏ ＯＯ１ １ ４ＯＯＯ ７ ６Ｏ ０ ０３ ８Ｏ ０ ０■囹Ｈ日口Ｈ凼●０圈 Ｈ 口Ｈ蟹（ｃ）１．７Ｑｏ图２．６全开叶轮静压分布如图２．６所示为不同工况下直叶片和弯叶片全开式叶轮中截面静压分布。整体看来， 两种叶型的叶轮内部静压分布都比较均匀，进口处压力达到最小值，是最容易发生汽蚀的 部位，压力沿流体流出方向逐渐增大，这是由于叶轮对流体做功的结果：叶片上压力的最 小值均出现在叶片进口吸力面处，且同一半径上，叶片压力面的静压值大于吸力面侧的静 压值；此外，靠近蜗舌流道处呈现一定的压力波动，这是由蜗壳的非对称性引起的。其他 流道内的压力分布依然呈现一定的规律性，受蜗壳的影响相对较小。随着流量的增大，不同叶型叶轮出口处的压力均呈减小的趋势，这符合扬程一流量性能曲线的规律，且靠近蜗壳流道内压力波动越来越明显。另外，叶片进口低压区域的面积也随着流量的增大而呈现 增大的趋势，且直叶片叶轮进口处低压区域面积与弯叶片相比较大些。由此也可说明，产 生汽蚀的可能性随着流量的增大而提高：对于相同工况下的不同叶型来说，直叶片叶轮内 部的压力梯度与弯叶片相比均较小，但进口处低压区的区域面积均比弯叶片进口处低压区 面积大。 （２）诱导轮内部压力分析 本文主要采用了三叶片变螺距诱导轮，为了分析诱导轮内部的流动情况，我们可以选 择其中的一个叶片作为研究对象。由于诱导轮的三个叶片是均匀分布的，因此我们可以选 择其中的任意一个叶片进行分析。如图２．７和图２．８分别为不同叶型叶轮离心泵诱导轮吸 力面静压图和压力面静压图。 图２．７为两个不同叶型全开式叶轮离心泵的诱导轮叶片吸力面侧的静压分布，整体看 来，不同叶型的压力分布有一些相似之处，压力从叶片前缘到尾缘沿轴向逐渐增大，说明 了诱导轮可以通过提高叶轮进口压力从而达到改善叶轮汽蚀性能的目的。在小流量工况 下，两种叶型的静压值和静压分布大致相同；在设计点处，直叶片诱导轮吸力面侧的静压浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究相对于弯叶片较低，且二者在叶片进口处均存在低压区，在靠近出口处也存在小范围的低 压区域；在大流量工况下，吸力面侧的静压整体有所增大，且弯叶片的压力较直叶片的大 些随着流量的增大，压力呈逐渐上升的趋势，压力梯度逐渐减小，叶片前缘和尾缘的压力 分别随着流量的增大而增大和减小。ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｒｅｓｓｕ ｒｅ黑…０ 豳一２６００。．３９００――――一５２００ …“．６５００…．７８００……．９１０００ Ｏ．１０４００ ．１１７００ ．１３０００竹∞ ∞ ：２∞弱＂他¨∞０∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ０弯叶片（ａ）０．４Ｑｄ直叶片０Ｏ ０Ｏ ００ Ｏ０ Ｏ０ Ｏ０Ｏ００ ０ Ｏ Ｏ ０ Ｏ■圈Ｈ 曰冒００ ００∞竹ｏ∞加如∞∞∞加 ０ Ｏ■日Ｈ―口譬弯叶片删湖瞄瑚啪著｝御Ⅷ伽ｍＯ ０直叶片Ｏ０ ＯＯ ００ ０Ｏ ０Ｏ ０Ｏ Ｏ０ Ｏ一４０００ ―５５００―７０００ ―８５００■圈Ｈ 圈Ｈ冒―１００００Ｏ∞弱∞筠加１２伯∞ｏ∞们 ０ ０―１１５００ ―１３０００谚磐。Ｌ尸Ｉ：弯叶片（ｃ）１．７Ｑａ直叶片图２．７诱导轮吸力面静压分布１９浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究从图２．８为两个不同叶型全开式叶轮离心泵的诱导轮叶片压力面侧的静压分布，从图 中可以看出，除了大流量工况下，两种叶型离心泵中诱导轮叶片压力面的静压分布呈现一 定的规律，并且分布比较均匀，没有出现太大的压力梯度；此外还注意到在叶片前缘靠近 进口部分均存在低压区域。在小流量工况和设计流量下，两种叶型的静压值和静压分布大 致相同，压力分布比较均匀，压力梯度没有太大的变化；在设计流量点下，弯叶片的静压 梯度大于直叶片的静压梯度，直叶片进口处低压区的面积较弯叶片的大些，且在叶片尾缘 存在一个低压区，此处较容易发生汽蚀现象。在大流量工况下，弯叶片上的压力分布相对 来说杂乱无章；直叶片上压力梯度分布不均与，在叶片前缘和尾缘压力梯度分布密集，且 叶片中间部分压力较大，向两端逐渐减小，在叶片尾缘部分也存在一个低压区。从整体看 来，压力随着流量的增大而逐渐增大，压力梯度分布也呈增大趋势。００ ０ ００００ ００ ００ ００ Ｏ０ Ｏ０■圈ＨＨ曰Ｈ尉一弯叶片ＯＯ伯们佗捣钳帖弘盯码∞伯 Ｏ ０直叶片ｐｒｅｓｓｕｒ１０００ ５００ ０ ５００ １０００ １５００ ２０００ ２５００ ３０００ ３５０００ ００ ００ ００ ０ ０ ０曩叠．ｒ＿Ｈ ■■■囹Ｈ 团譬弯叶片Ｏ０ ００仲∞０∞竹侣加筠∞弱 Ｏ０直叶片２０浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究ｐｒｅｓｓｕｒ骱：： ＨＨ Ｈ ＨＨ８００ ５００ ２００１４００ １１００Ｈ一１００戳００弯叶片（ｃ）１．７Ｑｄ直叶片图２．８诱导轮压力面静压分布（３）圆周方向的压力分布 为了研究不同叶型叶轮离心泵交界面（Ｒ＝９６．２５）以及蜗壳壁面在圆周方向的压力分 布，如图２．９所示，在圆周方向上均匀的设置７２个监测点，沿逆时针方向角度依次增大。图２．９周向监测点分布图图２．１０为交界面沿圆周方向的压力分布。由于蜗壳的非对称性以及叶轮与蜗壳的动静 干扰作用，使得叶轮内部的流体产生一定的不稳定性，从而导致一定的压力波动。由图可 以看出，流体的压力分布在交界面上沿圆周方向呈现一定的规律，且分布是不均匀的，这 是由于叶轮与蜗壳之间的动静干扰而造成流体的压力波动。图（ａ）为交界面的静压分布， 从图中可以看出，直叶片叶轮和弯叶片叶轮交界面上的压力在００～１８００之间随着圆周角的 增大而呈现一定的上升趋势。此外，在靠近蜗壳喉部时，受蜗舌的影响，压力突然出现较２１浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究大的压力波动，说明在蜗舌附近的流体流动比较复杂。整体看来，弯叶片交界面上的静压 比直叶片的静压高一些。图（ｂ）为交界面的总压分布，由图可以看出，弯叶片在００～１８００ 之间沿圆周方向依然呈上升趋势，而直叶片在００～１８００之间沿圆周方向有略微的下降趋势， 之后二者的总压值均在６５００００Ｐａ左右波动。（ａ）静压分布 图２．１０交界面压力分布（ｂ）总压分布图２．１１为蜗壳壁面沿圆周方向的压力分布，由图可知，由于蜗壳壁面与交界面相比已 经离叶轮出口，因此与交界面上的压力分布相比蜗壳壁面压力分布规律已经不明显，此时， 蜗壳内部的流体受旋转叶片作用的的影响相对较小。此外，蜗壳壁面的压力波动幅值相对 于交界面的波动幅值有所减小。图（ａ）为蜗壳壁面处的静压分布，由图可以看出，直叶片 和弯叶片的波动规律基本上保持一致，且压力值也相差不大，沿圆周方向压力基本呈上升 趋势，在靠近蜗舌区域有较大的压力波动，且在３０００～３６００之间二者均存在较大的波动。 图（ｂ）为蜗壳壁面处的总压分布，由图可知，蜗壳周向波动的频率与交界面处压力波动 相比较小，直叶片和弯叶片总压在蜗舌附近均有较大的压力波动，且直叶片总压在６００～ ３０００之间沿蜗壳周向呈逐渐减小的趋势，弯叶片总压在６００～１８００之间沿蜗壳周向逐渐减 小，且直叶片总压值比弯叶片的大。在３０００～３６００之间两种叶型的总压波动趋势保持一致， 且压力值基本相等。浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究（ａ）静压分布 图２．１１蜗壳壁面压力分布（ｂ）总压分布２．３．２速度分析（１）中截面速度分布 图２．１２为弯叶片全开式叶轮和直叶片全开式叶轮内部流道中截面的流线图。从整体来 看，在不同工况下，直叶片叶轮流道内除了靠近蜗壳流道内以外，其他流道内存在一个大 面积回流旋涡区域，使绝大部分的流体又流回到叶轮内部。此外，在直叶片叶轮叶片进口 处均存在小范围的回流区域，这是由于直叶片的入口叶片角为９００，进口冲角较大，流体 在吸力面处容易产生脱流现象，从而使得叶轮在入口处产生回流。随着流量的增大，直叶 片叶轮进口的回流区域面积有增大的趋势，且在设计流量点处，叶轮内部的流动情况有所 改善，但是依然有大面积的回流区域存在。相对于直叶片叶轮来说，弯叶片叶轮内部流动 比较均匀，不存在大面积的旋涡，叶片进口处也没有产生小范围的回流区域。但是，在小 流量工况下，除了在靠近蜗壳流道内，其他流道内在叶片压力面出口处均产生了旋涡，并 且在部分流道内部也有回流旋涡存在。随着流量的增大，叶轮流道内的旋涡逐渐减少，但 是流线分布整体比较杂乱，规律性不明显。浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究（ａ）０．４ Ｑｄ（ｂ）Ｉ．０Ｑｄ（Ｃ）１．７ Ｑｄ图２．１２全开叶轮中截面流线图２４浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究（２）圆周方向速度分布５４３２。＊ｔＬ一≥馨麓暑囊１Ｏ１０６０１２０１８０２４０３００３６０嘲麂角卵）（ａ）径向速度 图２．１３交界面速度分布翻瑚拜ｊ卵）（ｂ）周向速度图２．１３为交界面沿圆周方向的速度分布，整体看来，交界面上的周向速度远大于径向 速度，由此可知叶轮内部流体主要是沿圆周方向流动的。图（ａ）为交界面的径向速度分布， 由图可知，直叶片和弯叶片沿圆周方向的径向速度除了在蜗舌附近有较大波动外，基本上 在０～ｌｍ／ｓ之间波动，且两者速度相差不大。图（ｂ）为交界面沿圆周方向的速度分布，由 图可知，弯叶片在００～１８００之间沿圆周方向呈上升趋势，而直叶片在００～１８００之间沿圆周 方向呈下降趋势，之后二者均在２３ｍ／ｓ左右波动。由于在蜗舌附近的流体流动情况比较复 杂，因此此处的速度波动较大。０６０１２０１８０２４０３００３６０嘲堋趣口（。）Ｃａ）径向速度 图２．１４蜗壳壁面速度分布（ｂ）周向速度一图２．１４为蜗壳壁面沿圆周方向的速度分布，其中图（ａ）、（ｂ）分别为径向速度分布和 周向速度分布。由图中可以看出，蜗壳壁面上的周向速度远大于径向速度，与交界面上速２５浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究度分布相比不同的是，蜗壳壁面周向波动频率随着圆周角的增大而逐渐减小，并且周向速 度值也有所减小，且随着圆周角的增大，径向速度近似呈一条直线，并且速度值也已经很 小了，说明越接近蜗壳壁径向速度越小，流体基本上都沿圆周方向运动，径向波动也已经 很小了。但是，在蜗舌附近存在较大的速度波动，说明蜗舌对径向速度产生较大的影响。 从图（ｂ）中可以看出，与交界面上的速度分布相比，蜗壳周向速度波动的频率减小，且 直叶片周向速度在６００～３０００之间沿蜗壳周向呈逐渐减小的趋势，弯叶片周向速度在６００～ １８００之间沿蜗壳周向逐渐减小，且直叶片的周向速度值比弯叶片的大。在３０００～３６００之间 两种叶型的周向速度波动趋势保持一致，且速度大小基本相等。２．４离心泵性能预测为了研究两种全开叶型的全开式叶轮离心泵的外特性，本文分别在０．４ ９、０．６ ９、０．８ Ｐｄ、１．０ Ｑｄ、１．２ Ｏｄ、１．４ Ｏｄ、１．６ Ｑｄ、１．７ Ｑｄ共８个工况下进行了数值计算，得到两种不同 叶型离心泵在不同流量点下的扬程和效率的结果，根据计算数据得到如图２．１５所示的离心 泵性能预测曲线，分别对两种不同叶型的离心泵进行性能预测。 （１）外特性计算模型 根据数值计算得到的离心泵进Ｅｌ和出口的总压差可以预测离心泵的扬程。 扬程ＨＨ＝世｜ｊｏｇ＋Ａｚ 式中：△尸――低比转速离心泵进口及出口的总压差（Ｐａ）；２－（１７、）＆――离心泵叶轮以及离心泵出口处在垂直方向上的距离（ｍ），由于低比转速离心泵体积小，故＆可以忽略不计。 离心泵的水力效率７７ｈ”警 ｇ――重力加速度（ｍ／ｓ２）；¨叶轮扭矩（Ｎ?ｍ）；缈――角速度（ｒａｄ／ｓ）；离心泵的容积效率７７。２－（１ ８）式中：９一离心泵流量（ｍ３／ｓ）；肛一离心泵扬程（ｍ）：ｐ――介质的密度（ｋｇ／ｍ３）；”击２羽９，浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究圆盘摩擦损失叱的估算公式为㈣ 叱＝ｏ．１３３ｘ１０。３，ｏＲｅ旺１３４Ｃ０３（Ｄ２／２）３Ｄ；２－（２０）式中Ｒｅ＝１０６×ｃｏ（Ｄ２／２）２；ｐ――介质的密度，ｋｇ／ｍ３；缈――角速度，ｒａｄ／ｓ；Ｄ２一叶轮外径，ｍ；叱――圆盘摩擦损失功率，Ｗ。离心泵效率ｒ／１７０】刁－（志＋等＋ｏ．。３）＿ｌ２－（２１）图２．１５离心泵性能预测曲线图２．１５为两种不同叶型开式叶轮离心泵的性能预测曲线。从图中可以看出扬程随着流 量的增大而逐渐降低，在整个流量工作范围内扬程变化很小，几乎呈一条直线，这是符合 低比转速开式叶轮离心泵的实际特点的。此外，在小流量范围内，直叶片扬程和弯叶片扬 程相差不大，直叶片扬程在一定的流量变化范围内比较平稳，而弯叶片扬程在大流量工况 下出现了较大的下降。设计流量点处，直叶片扬程Ｈ＝６０．６１ｍ，效率，７＝２４．４１％，弯叶片扬 程Ｈ＝５８．０７ｍ，效率，７＝２１．３６％。为了改善低比转速离心泵的性能，本文采用的加大流量设 计法，使得高效流量点偏向大流量点。整体看来，两种不同叶型离心泵的效率随流量的增 大呈上升趋势，且在小流量点工况下两者效率相差不大，在大流量点处直叶片叶轮离心泵 效率比弯叶片叶轮离心泵效率稍高。２７浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究２．５本章小结本章主要对两个不同叶型的全开式叶轮低比转速离心泵在非汽蚀工况下进行数值计 算。首先对研究模型进行三维建模，网格划分以及边界条件的设置。此外，还对数值模拟 过程中所采用的控制方程、湍流模型、壁面函数以及速度和压力耦合的计算方法进行了简 单的阐述。为数值计算的顺利进行奠定了基础。然后针对计算结果重点分析了不同工况下 不同全开式叶轮中截面的压力分布、流线分布以及诱导轮内部流道的压力分布：设计流量 点下不同叶型圆周方向以及蜗壳壁面的压力、速度分布。经过分析可知： （１）不同工况下，不同叶型中截面内部压力分布比较相似，从叶片进口到出口呈逐 渐增大的趋势，等静压曲线几乎是沿圆周方向分布的，同一半径上压力面侧的静压大于相 应位置吸力面侧的静压。叶片上的最小压力值都出现在叶片头部吸力面处。随着流量的增大，不同叶型叶轮出口处的压力均呈减小的趋势，这符合扬程一流量性能曲线的规律。叶片进口低压区域的面积也随着流量的增大而呈现增大的趋势，且直叶片叶轮进口处低压区 域面积与弯叶片相比较大些。 （２）流体的压力在交界面上沿圆周方向的分布是不均匀的，但基本上按一定的规律 波动，且波峰的数量与叶轮的叶片数基本上一致，即每当叶片经过蜗壳时就会产生叶片与 蜗壳的动静干扰，从而造成流体的压力波动。与交界面上的压力分布相比蜗壳壁面压力分 布规律已经不明显了，相对于交界面的波动幅值有所减小。此外，交界面上的周向速度远 大于径向速度，与交界面上速度分布相比不同的是，蜗壳壁面周向波动的频率减小，并且 周向速度值也有所减小。 （３）随着流量的增大，直叶片叶轮进口的回流区域面积有增大的趋势，且在设计流 量点处，叶轮内部的流动情况有所改善，但是依然有大面积的回流区域存在。相对于直叶 片叶轮来说，弯叶片叶轮内部流动比较均匀，不存在大面积的旋涡，叶片进口处也没有产 生小范围的回流区域。但是，在小流量工况下，除了在靠近蜗壳流道内，其他流道内在叶 片压力面出口处均产生了旋涡，并且在部分流道内部也有回流旋涡存在。随着流量的增大， 叶轮流道内的旋涡逐渐减少，但是流线分布整体比较杂乱，规律性不明显。 最后，本章还对两种不同叶型离心泵进行了性能预测，结果发现扬程随着流量的增大 而逐渐降低，只是整体上随着流量的增大扬程降低的程度不大，在整个流量工作范围内变 化很小，几乎呈一条直线，这是符合低比转速开式叶轮离心泵的实际特点的。浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究第三章离心泵汽蚀工况下的数值计算近年来，随着计算机软件和硬件技术的迅速发展，ＣＦＤ软件也在不断的发展。本文在 进行汽蚀计算时采用美国Ｓｉｍｅｒｉｃｓ公司提供的ＣＦＤ软件ＰｕｍｐＬｉｎｘ，分别对两种具有不同 叶型的全开式叶轮低比转速离心泵分别进行了汽蚀性能的数值模拟。ＰｕｍｐＬｉｎｘ采用全自动 的直角笛卡尔网格生成器，方便直接从ＣＡＤ文件生成空间计算网格，可以帮助工程师在 很短的时间内生成网格、设置条件并计算。３．１汽蚀数值计算方法（１）网格的生成 ＰｕｍｐＬｉｎｘ包括一个自动化的网格生成器，二叉数网格（Ｂｉｎａｒｙ Ｔｒｅｅ Ｍｅｓｈ）是ＰｕｍｐＬｉｎｘ 优秀的网格生成技术，它是在一个封闭的ＣＡＤ曲面内部和／或外部生成网格。该网格生成 器采用专有的几何等角自适应二元树（ＧｅｏｍｅｔｒｙＣｏｎｆｏｒｍａｌ ＡｄａｐｔａｔｉｖｅＢｉｎａｒｔ．ｔｒｅｅ）算法。网格划分类型包括：标准模式（Ｎｏｒｍａｌ Ｍｏｄｅｌ）和高级模式（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍｏｄｅｌ），相对于标 准模式，高级模式增加了点、线的网格控制，同时可以改变网格的方向和自动处理碎网格。 此外，在划分网格的过程中必须选择封闭的曲面，否则无法生成网格。ＰｕｍｐＬｉｎｘ识别ｓｔｌ 格式的面网格格式，建模所用的主流ＣＡＤ软件：ＵＧ、Ｐｒｏ／Ｅ、Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ等都能导出相应 的ｓｔｌ格式文件。对流体域采用一键式的网格生成方式，生成高质量的笛卡尔网格，并可对 汽蚀部件边界及周边流体域进行局部加密。如图３．１所示为弯叶片叶轮和直叶片叶轮的网 格示意图。（ａ）弯叶片 图３．１网格示意图２９（ｂ）直叶片浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究（２）计算模型的选择：在计算离心泵汽蚀可选择离心泵模型、湍流模型以及汽蚀模 型。如图３．２所示为离心泵模型选择示意图。ＪＰｕｍｐｓＣｏｍｍｏｎＡｘｉａｌ ＦｌｏｗＢｅｎｔＡｘｉｓ Ｐｉｓｔｏｎ互＝二ｏ选择模型．ＣｅｎｔｒｉｆｕｇａｌＣｒｅｓｃｅｎｔ。囝Ｆｌｏｗ 团Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ 团Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ 囝Ｓｔｒｅａｍｌｉｎｅ岛ｎＧｅａｒＧｅｒｏｔｏｒ Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ Ｓｗａｓｈ Ｐｌａｔｅ Ｐｉｓｔｏｎ Ｒａｄｉａｌ ｐｉｓｔｏｎｓＶａｎｅ图３．２模型选择示意图ＰｕｍｐＬｉｎｘ的空化模型中考虑液体可压缩性；模型考虑了蒸汽的蒸发和凝结过程；对非 凝结气，用户可以选择以下子模型： １）固定气体质量分数模型： ２）可变气体质量分数模型； ３）平衡态气体溶解，挥发模型； ４）有限速率气体溶解，挥发模型： （３）全空化理论：该理论的基本方法中包含了可变密度流体的标准粘性流动方程洲一Ｓ 方程）以及ｋ一￡湍流模型。流体的密度是关于蒸汽质量分数／的函数，可以通过求解耦合 了质量和动量守恒方程的输运方程得到。密度和质量分数ｐ一厂的关系如下：一＝一＂－Ｉ－一ｐ１ｆ．１一厂岛成３．（１）其中ｐ为混合液体总密度，风为蒸汽密度，届为液体密度。则蒸汽体积分数口与厂的 关系推导如下：。ｃ三ｆ旦反 ３．（２）而蒸汽质量分数厂由输运方程控制：浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究昙（朋冉（ｐ―Ｖｆ）＿ｖ．（ｒＶｆ）＋Ｒ咄液体．蒸汽相密度决定。，３－（３）源项Ｒ，Ｒ．分别为蒸汽的蒸发和凝结率。由液体的饱和蒸汽压、液体．蒸汽表面张力、（４）边界条件的设定：压力进口和体积流量出口的边界条件，其余表面都默认为ｗａｌｌ 边界。３．２数值计算结果分析３．２．１同一时刻不同汽蚀余量下叶轮内的空泡体积分布当离心泵内部某处的压力小于介质工作温度下的汽化压力时，叶轮内部将会产生气 泡。图３．３和３．４分别为不同汽蚀余量下弯叶片叶轮和直叶片叶轮内部的空泡体积分布。Ｔ“ｄ＇／ｏｌ ０ ０５罔 ＿吣圈霸蚓■一。０（ａ）ＮＰＳＨ＝９．８４ｍ（ｂ）ＮＰＳＨ＝６．７７ｍ一¨Ｉ曛蓄。（ｃ）ＮＰＳＨ＝４．２２ｍｍ●爨＝： 避一。（ｄ）ＮＰＳＨ＝３．２ｍ从图３．３中可以看出，随着脚的下降叶轮内部叶片进口吸力面的空泡体积分数逐３１图３．３不同汽蚀余量下弯叶片叶轮内的空泡体积分布浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究渐增大。容易看出当ＮＰＳＨ等于９．８４ｍ时叶轮内部的气泡相所占的体积分数很小。随着 ＮＰＳＨ的减小，气泡首先在叶片吸力面进口边附近产生，然后沿叶片吸力面向出口叶轮出 口方向扩散，并且随着叶轮流道面积的增大，逐渐向叶片压力面扩展。随着进口压力的减 小，在距离进口较近的区域，气泡相所占的体积分数逐渐增大。当ＮＰＳＨ达到３．２ｍ，即汽 蚀余量值达到临界汽蚀余量值时，叶轮进口处有大量的气泡产生，气泡相所占的体积分数 最大区域集中在叶片进口处附近的区域，此处也是叶轮内压力最低，最易产生汽蚀的区域。Ⅲ―■您㈠＝二豳●。懈曩－曛㈠～＝： 幽●。（ａ）ＮＰＳＨ＝９．８４懈■●同㈡ｉ。（Ｃ）ＮＰＳＨ＝４．２２＂曩●隰一㈠．㈠簟●ｏ（ｄ）ＮＰＳＨ＝３．２图３．４不同汽蚀余量下直叶片叶轮内的空泡体积分布从图３．４中可以看出，与弯叶片叶轮内部气泡体积分数分布相同，随着ＮＰＳＨ的下降 叶轮内部叶片进口处的空泡体积分数逐渐增大。当汽蚀余量降低到一定程度后，由于叶轮 的高速旋转，叶轮内部流体的流速加快。因此，当气泡产生后迅速向叶轮出口扩散，到达 高压区时破灭。由于受到蜗壳的影响，叶轮内部各流道内部的气泡呈不对称分布，靠近蜗 舌附近流道内部的气泡相体积分数较大，且气泡主要分布在叶片进口吸力面附近区域。当 汽蚀余量值达到临界汽蚀余量值附近时，与弯叶片不同的是直叶片进口处的气泡相体积分 数所占的比例较弯叶片大些，且气泡相沿叶轮径向方向的分布范围也比弯叶片的大。浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究３．２．２同一时刻不同汽蚀余量下诱导轮内部空泡体积分布诱导轮位于叶轮之前，其主要作用就是提升叶轮进口压力，改善离心泵的汽蚀性能。 如图３．５为不同汽蚀余量下两种不同叶轮离心泵中诱导轮内部的空泡相体积分数分布。０２基ｉ｛＿（ａ）ＮＰＳＨ＝９．８４ｍ（ｂ）ＮＰＳＨ＝６．７７ｍ（Ｃ）ＮＰＳＨ＝４．２２ｍ（ｄ）ＮＰＳＨ＝３．２ｍ图３．５不同汽蚀余量下弯叶片诱导轮内的空泡体积分布Ｏ２囊｝ｌ１（ａ）ＮＰＳＨ＝９．８４ｍ（ｂ）ＮＰＳＨ＝６．７７ｍ（ｃ）ＮＰＳＨ＝４．２２ｍ（ｄ）ＮＰＳＨ＝３．２ｍ图３．６不同汽蚀余量下直叶片诱导轮内的空泡体积分布图３．５和３．６分别为不同汽蚀余量下弯叶片和直叶片离心泵诱导轮内的空泡体积分布， 从图中可以看出，随着汽蚀余量的下降两种不同叶型离心泵诱导轮内部的空泡体积分数逐 渐增大，气泡主要集中在叶片靠近轮毂处以及叶片边缘。当ＮＰＳＨ为９．８４ｍ时，诱导轮内 部整体空泡的含量较少，且直叶片靠近叶片尾缘部分的气泡含量较弯叶片的少些：当ＮＰＳＨ 为６．７７ｍ时，两种叶型诱导轮内部空泡的含量相差不大；当ＮＰＳＨ为４．２２ｍ时，两种叶型 诱导轮内部的空泡含量从叶片前缘到尾缘有减小的趋势，说明从叶片前缘到尾缘沿轴向压 力逐渐上升。另外，直叶片叶轮离心泵诱导轮内部整体气泡含量比弯叶片的高些；当ＮＰＳＨ 为３．２ｍ时，直叶片叶轮离心泵诱导内部整体空泡含量比弯叶片的高些，且弯叶片诱导轮 内部，空泡相主要分布在叶片尾缘以及靠近轮毂的部位，直叶片诱导轮内部空泡相的分布 主要集中在叶片前缘边沿部位以及叶片尾缘及其靠近轮毂部分。浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究３．２．３不同叶型叶片吸力面的空泡体积分布为了分析说明两个全开叶轮叶片吸力面的空泡体积的分布情况，图３．７给出了离心泵 内部流道结构以及叶片位置分布示意图，叶片位置分别用数字ｌ到８表示。此外，叶轮沿 逆时针方向旋转。（ａ）弯叶片全开叶轮（ｂ）直叶片全开叶轮图３．７离心泵内部叶片位置分布示意图Ｃａｖｉ ｔａｔｉｏｎＴ０ｔａｌＶｏｌｕｍｅＦｒａｃｔｉＯｎ（１）叶片ｌ（２）叶片２（３）叶片３浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究（４）叶片４（５）叶片５（６）叶片６（７）叶片７（８）叶片８图３．８弯叶片吸力面的空泡体积分布图３．８和图３．９分别为同一时刻临界汽蚀余量附近弯叶片和直叶片吸力面的空泡体积 分布。从图中可以清楚的观察到叶片吸力面的汽蚀区域主要集中在叶片的进口部分，在这 一区域气泡体积分数达到最大，在流体沿叶片流道流向出口的过程中，由于叶轮对流体做 功压力逐渐升高，气泡相的体积分数逐渐降低，液体相的体积分数逐渐增加。图３．８中弯 叶片叶轮的叶片吸力面空泡体积分布，可以看出空泡主要分布在叶片１、叶片７和叶片８ 的进口处；图３．９中直叶片叶轮吸力面空泡体积分布图中可以看出空泡主要集中在叶片２ 的进口部分，且直叶片的空泡分布区域比弯叶片的较大些。Ｃａｖｉｔａｔｉ ０１３．：ＴｏｔａｌＶｏｌｕｍｅＦｒａＣｔｉ０１１潮闽鳞（１）叶片ｌ （２）叶片２ （３）叶片３浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究（４）叶片４（５）叶片５（６）叶片６（７）叶片７图３．９直叶片吸力面的空泡体积分布３．２．４不同时刻叶轮内部空泡体积分布为了得到不同时刻叶轮内部的空泡体积分布，本文对两种不同叶型的全开式叶轮离心 泵进行了汽蚀的非定常计算。本文所采用的模型泵转速为２９００ｒｐｍ，通过计算可知叶轮转 一周所需时间Ｔ为０．０２０６９ｓ，假设叶轮旋转一周需要３６０个时间步长，叶轮每转１０作为一 个时间步长，时间步长为５．７４７ｘ１０－５ｓ。由于本文所研究的叶轮中有８个叶片，因此当叶轮 旋转４５０时作为一个计算周期，即４５个时间步长为一个计算周期。图３．８和图３．９分别为临界汽蚀余量值附近（朋咯胙３．２ｍ）弯叶片叶轮和直叶片叶轮不同时刻的空泡体积分布。Ⅲ●纛舅＝≤。浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究（ｂ）ｔ＝２Ｔ／３（ｃ）ｔ＝Ｔ图３．１０弯叶片叶轮不同时刻的空泡体积分布图３．１０为弯叶片叶轮不同时刻的空泡体积分布，从图中可以看出，由于高速旋转的叶 轮与蜗壳的相互作用，在一个计算周期内三个不同时刻的气泡体积分布呈现一定的变化。 在不同时刻气泡相所占体积分数最大的区域主要集中在叶片进口吸力面处，随着时间的变 化，叶轮叶片吸力面汽蚀发生的部位和范围都有一定的改变。Ｔ／３时，叶片ｌ和叶片２吸 力面处汽蚀的程度相对较大；２Ｔ／３时，８个叶片进口吸力面处，气泡的分布相对比较均匀， 汽蚀的程度相对Ｔ／３时较大；Ｔ时刻，叶片７和叶片８吸力面处的汽蚀现象基本消失，气 泡主要集中在其他６个叶片的吸力面处。这可能是由于叶轮和蜗壳的相互作用，对蜗舌附 近流道的压力产生一定的影响，从而影响此处汽蚀的产生。呲■●ｎ＝＿。（ａ）ｔ＝Ｔ／３浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究（ｂ）ｔ＝２Ｔ／３（ｃ）ｔ＝Ｔ图３．１ｌ直叶片叶轮不同时刻的空泡体积分布图３．１ｌ为直叶片叶轮不同时刻的空泡体积分布，从图中可以看出，与弯叶片叶轮相似 的是，在一个计算周期