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《江苏大学》 2009年
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基于环量分布的高比转速混流泵设计、数值模拟及试验研究

吴志旺  
【摘要】: 高比转速混流泵的主要过流部件是叶轮。叶轮是较为重要的转能装置,根据不同环量分布的要求可设计出不同叶片形状的高比转速混流泵,本文中设计主要采用了上凸环量分布、线性环量分布和下凸环量分布三种分布对叶轮进行设计。 水泵内部的压力分布是否合理(压力梯度均匀)、速度矢量是否流畅(回流和二次流)、流线是否均匀和流畅、数值效率是否高等,一直是泵设计人员十分关心的问题。随着计算机技术及计算流体力学等新学科的飞速发展,利用CFD对混流泵进行内部流场计算成为可能,并已成为重要的设计手段。本文对高比转速混流泵全三维内部流场进行数值模拟,进而了解泵内流动的速度分布、压力分布等流动规律,并且为叶轮叶片设计提供参考。 本文将进口喇叭管、叶轮、导叶体和出口弯管四个过流部件进行耦合,采用二元理论设计高比转速混流泵叶轮,共设计模型3个,模拟其内部流场最设计工况下的三维不可压缩湍流场,分析其内部流动,揭示其内部流动的主要现象、特征,从而为高比转速混流泵的优化设计及性能改进提供依据,主要工作如下: 1.简要介绍了国内外高比转速混流泵研究现状,阐述了高比转速混流泵的设计方法,并在此基础上,根据设计参数,对3个模型泵(上凸环量分布、线性环量分布、下凸环量分布)及与之对应的空间导叶进行设计; 2.运用Pro/Engineer Wildfire对设计的高比转速混流泵整体过流通道(包括进口喇叭管、叶轮流道、导叶体流道、出口弯管)进行三维造型,造出3个模型泵实体; 3.简要介绍了大涡模型和数值模拟相关软件,并利用ICEM-CFD,对高比转速混流泵内部过流通道进行网格划分; 4.采用Ansys CFX中提供的κ-ε为湍流模型,利用有限体积法对雷诺平均N-S方程进行数值离散,对三个模型泵的不同流量下的三维不可压缩、定常、湍流场进行了数值模拟,得到了高比转速混流泵内部流场分布;并且对模型1的三维不可压缩、非定常、湍流场进行大涡数值模拟,得到其非稳态运行时流场分布; 5.介绍了扬程、轴功率、水力效率预测值的计算方法和公式,对三个模型外特性曲线进行性能预测,最后将模型1性能预测曲线与试验得到的外特性曲线进行比较。 通过以上工作,主要得到了以下结论: 1.CFD方法方便、快捷,能较为准确的反映高比转速混流泵内部流场的分布规律; 2.模型2最高效率值较其它2个模型高,模型1的高效区范围在3个模型中最宽,而且模型1的马鞍区较小,模型2出现了较小的驼峰区,今后应对其模型进行修改,以避免驼峰的出现。 3.通过非稳态场的分析,揭示了稳态场所不能揭示的高速旋转叶轮以及导叶中各监测点与时间形成的周期变化和脉动现象。
【学位授予单位】:江苏大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TH313

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