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《安徽工程大学》 2019年
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基于流固耦合塑料离心泵叶片型线对泵性能影响研究

赵永涛  
【摘要】:塑料离心泵适用于酸、碱、盐等大多数腐蚀性环境,并且广泛应用于化工、石油等行业腐蚀性物料的输送。在对塑料离心泵叶轮进行水力设计时,叶片型线设计多依赖于工程师经验,难以确定何种型线可令塑料离心泵具有优质性能。对于不同叶轮叶型,目前国内外学者尚未对叶片型线选择提出某种统一定论,且未有任何文献研究基于流固耦合考虑叶片型线对塑料离心泵影响。为研究塑料离心泵叶片型线对泵性能影响,本文研究主要内容和特色如下:(1)按照塑料离心泵已知性能及结构参数,分别采用单圆弧法、双圆弧法、对数螺旋线法和B样条曲线法对叶轮叶片型线进行设计,初步拟定几种型线的形状与尺寸,绘制叶轮二维模型。(2)根据塑料离心泵叶轮二维模型,分别对几种型线的叶轮进行三维建模、网格划分及内部流场模拟。经后处理分析得出,从压力与速度两个角度看,双圆弧法与对数螺旋线法所绘叶轮优于B样条曲线法与单圆弧法所绘叶轮,从汽蚀余量与水力效率看,对数螺旋线法所绘制叶轮优于其它三种叶片型线绘制方法。几种型线的叶轮内部流场分析,为塑料离心泵水力设计时,叶轮叶片型线的选择提供一定的理论依据。(3)分别对几种型线的叶轮进行流固耦合分析,得到几种型线的叶轮等效应力及变形。分析得出,四种型线下的叶轮,变形量:B样条曲线法大于单圆弧法大于双圆弧法大于对数螺旋线法,等效应力:B样条曲线法大于双圆弧法大于单圆弧法大于对数螺旋线法。四种型线中,对数螺旋线的等效应力和变形量最小,因此对叶轮破坏最小,证实了内流场分析时,对数螺旋线最优的结论,对塑料离心泵叶轮型线选择具有指导性意义。(4)根据仿真分析的结果,确定对数螺旋线法最优。以塑料离心泵的功率损失最小、汽蚀余量最小建立多目标函数优化模型,以塑料离心泵叶轮的入、出口直径(D1、D2)和叶片入、出口安放角(β1、β2)作为设计变量,通过Matlab软件对其进行优化,优化结果相比之前,水力效率提升了 1.68%,说明叶轮结构得到了一定的改善。(5)根据几种型线的三维模型,采用3D打印技术,打印出叶轮实物模型,分别对几种型线的叶轮进行泵的性能实验,实验结果与仿真分析结果对比表明,四种型线中对数螺旋线法最优,单圆弧法最差,验证了仿真结果的正确性。本文在前人研究基础上,基于塑料离心泵内流场仿真、流固耦合模拟、参数优化和实验验证研究几种叶片型线对塑料离心泵叶轮性能影响,相比其他对叶片型线研究,本文主要创新点为:(1)运用理论研究、数值模拟、实验验证等方法对单圆弧型线、双圆弧型线、对数螺旋线、B样条曲线的叶轮进行对比研究,得到对数螺旋线法为最优型线绘制方法。(2)基于单向流固耦合,研究不同型线对塑料离心泵叶轮结构影响,得到对数螺旋线对叶轮结构影响最小。(3)在已确定最优叶片型线基础上,以功率损失最小与汽蚀余量最小作为目标函数,对最优叶片型线进行优化,确定一个优质叶轮模型。
【学位授予单位】:安徽工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TQ051.21

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