射流式自吸電泵的設計及內部流動數值計算.pdf

1、本文系國家科技支撐計劃(編號:2011BAF14B01)和江蘇大學學生科研立項(2011A005)資助項目。
　　 射流式自吸電泵是一種特殊的流體機械，采用射流器與離心泵組合的方式設計，泵部分和電機部分共軸，以犧牲一部分效率來提高離心泵抗空化性能，增大吸程。射流式自吸電泵內包含兩種不同的泵型，內部三維流動極為復雜，包括水射流卷吸、湍流渦擴散等流動現象。隨著數值計算方法、網格技術、計算機軟硬件等的快速發(fā)展，計算流體動力學已經成了研

2、究泵內部流動的主要手段之一，準確、定量分析流動現象和流動特性是當前國內外研究泵領域的研究熱點和重點。本文針對XJWm/3BH型射流式自吸電泵進行了水力設計，采用數值模擬和試驗驗證了設計方法的合理性，分析了泵內定常、非定常流動特征，探索了大流量下揚程突降的緣由，為該型泵的設計提供了依據。本文主要研究工作和研究結果如下:
　　 1.根據射流式自吸電泵的設計參數要求，依據現有的水力設計理論，給出了射流式自吸電泵的葉輪、導葉、射流器和吸

3、入管水力設計步驟及系數選取要求等。
　　 2.根據射流式自吸電泵水力設計，采用Pro/E三維造型建立了全流場三維實體;利用ANSYSWorkbench中的Mesh命令對吸水段和出水段進行了結構化網格劃分，對葉輪、導葉和射流器等采用自適應非結構化網格劃分，最終確定網格節(jié)點總共為702008，網格數總共為3009149，其中葉輪網格數為783461，進口段為449600，出口段為290400。
　　 3.采用RNGk-ε湍流

4、模型數值計算了泵定常單相流場，分析了不同工況下射流器、葉輪和泵體內的壓力場、相對速度場、絕對速度場，給出了一個流道中不同半徑處的相對速度、絕對速度變化規(guī)律。結果表明:設計工況下數值模擬與試驗揚程、軸功率和效率的相對誤差為2.63％、6.16％和14.29％，數值模擬精度較高;在大流量工況下具有外特性曲線突降的特性，功率曲線在突降之前一直保持不變，這是該泵最大的一個特點;L=148mm處是靜壓、速度和湍動能耗散率等物理量劇烈變化的分界點，

5、靜壓在此處為最小值，而速度和湍動能耗散率為最大值。
　　 4.以全流場定常計算的結果為基礎，利用LES湍流模型非定常數值模擬，以第4圈收斂后的流場為例，分析了不同時刻下的流場變化規(guī)律;對葉輪、導葉和射流器內各個監(jiān)測點的壓力脈動數據進行幅域分析，通過FFT快速傅里葉變換分析了監(jiān)測點的頻域特性。結果表明:葉輪內各個監(jiān)測點的壓力脈動最強頻率在290.06Hz附近，監(jiān)測點的數值模擬主頻與理論計算所得的轉頻與葉頻略有偏差;導葉內各監(jiān)測點壓

6、力脈動的主頻都是葉片的通過頻率。
　　 5.采用修正的RNGk-ε湍流模型，設定進口處氣體的容積含氣率αg分別為5％、10％、15％和20％，氣泡直徑為0.1mm，在單相計算收斂后數值模擬了氣液兩相全流場。結果表明:當含氣率αg＜0.05時，泵性能不會發(fā)生較明顯的變化;當含氣率αg＞0.05時，揚程幾乎減半，氣體破壞了流動的連續(xù)性;在L=20mm～90mm之間液相速度大于氣相速度，氣液兩相速度差為1m/s～2m/s;在L=90m