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离心泵叶片湍流边界层理论研究及应用

武春彬  
【摘要】: 水泵是一种古老而应用极其广泛的通用机械,主要应用于农田灌溉、城市和工业给排水、热电厂、采矿的工业部门,所以他在国民经济中起着十分重要的位置。所以对其内部流动规律的研究、改进设计理论及方法以提高效率一直是专业厂家和研究部门研究的课题和改造的目标。 由于离心泵内部流动的复杂性,众多研究者试图找到一种描述其内部规律的数学方法。朱玉才博士首次提出了离心泵边界层理论并给出了叶片型线方程,本文就是基于朱玉才博士研究工作的基础上,通过大量分析国内外有关文献,建立离心泵叶轮湍流边界层的数学模型。本文首先根据粘性流体力学的一般方程,通过在边界层内进行量级比较,在所限定的范围内得到了含有离心力的边界层动量微分方程并给出其满足的边界条件,然后对该微分方程在边界层内积分得到离心泵叶轮边界层动量积分方程,在求解过程中引入了无量纲离心因子,并作了相应合理的假设,得出积分方程解的一般表达式,并引入以边界层动量损失厚度为主要特征量的无量纲参数对边界层分离进行评价。基于离心泵叶片边界层理论和对主流区速度场的分析,给出了离心泵叶片型线参数方程,它以叶片角为变参数,引入速度系数作为中间因子,将边界层理论和欧拉理论联系起来,并在离心泵叶轮的设计过程中统一起来,能够在设计中就根据实际的需要防止或控制过流表面的边界层的分离。最后本文应用该理论设计了离心泵叶片型线,并用实验进行了验证。实验证明通过改变叶片型线参数方程中的速度系数的取值,可以控制边界层的分离,进而改善泵的性能,提高其水力效率。 本文创新之处是: (1)在离心泵叶轮二维边界层流场内,建立了包含离心力的湍流边界层方程并给出了近似解。 (2)在理论应用方面,考虑了边界层内粘性对离心泵性能(效率、动力特性、扬程等)的影响,并通过了对比实验进行了验证。


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