射流式自吸電泵的設(shè)計及內(nèi)部流動數(shù)值計算.pdf

1、本文系國家科技支撐計劃(編號:2011BAF14B01)和江蘇大學(xué)學(xué)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(shè)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(nèi)包含兩種不同的泵型，內(nèi)部三維流動極為復(fù)雜，包括水射流卷吸、湍流渦擴散等流動現(xiàn)象。隨著數(shù)值計算方法、網(wǎng)格技術(shù)、計算機軟硬件等的快速發(fā)展，計算流體動力學(xué)已經(jīng)成了研

2、究泵內(nèi)部流動的主要手段之一，準確、定量分析流動現(xiàn)象和流動特性是當(dāng)前國內(nèi)外研究泵領(lǐng)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(shè)計，采用數(shù)值模擬和試驗驗證了設(shè)計方法的合理性，分析了泵內(nèi)定常、非定常流動特征，探索了大流量下?lián)P程突降的緣由，為該型泵的設(shè)計提供了依據(jù)。本文主要研究工作和研究結(jié)果如下:
　　 1.根據(jù)射流式自吸電泵的設(shè)計參數(shù)要求，依據(jù)現(xiàn)有的水力設(shè)計理論，給出了射流式自吸電泵的葉輪、導(dǎo)葉、射流器和吸

3、入管水力設(shè)計步驟及系數(shù)選取要求等。
　　 2.根據(jù)射流式自吸電泵水力設(shè)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(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對葉輪、導(dǎo)葉和射流器等采用自適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，最終確定網(wǎng)格節(jié)點總共為702008，網(wǎng)格數(shù)總共為3009149，其中葉輪網(wǎng)格數(shù)為783461，進口段為449600，出口段為290400。
　　 3.采用RNGk-ε湍流

4、模型數(shù)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(nèi)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(jié)果表明:設(shè)計工況下數(shù)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(shù)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(jié)果為基礎(chǔ)，利用LES湍流模型非定常數(shù)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(dǎo)葉和射流器內(nèi)各個監(jiān)測點的壓力脈動數(shù)據(jù)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(jié)果表明:葉輪內(nèi)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(shù)值模擬主頻與理論計算所得的轉(zhuǎn)頻與葉頻略有偏差;導(dǎo)葉內(nèi)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(shè)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(shù)值模擬了氣液兩相全流場。結(jié)果表明:當(dāng)含氣率αg＜0.05時，泵性能不會發(fā)生較明顯的變化;當(dāng)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