雙流道泵內(nèi)非定常三維湍流數(shù)值模擬及PIV測試.pdf

1、隨著社會進(jìn)步和科技發(fā)展，人們對泵的高效率、穩(wěn)定性和低噪聲等方面提出了更苛刻的要求。鑒于計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和CFD方法的日趨成熟，CFD將在葉輪機(jī)械設(shè)計和研究領(lǐng)域中扮演更重要的角色。本文的工作主要圍繞數(shù)值模擬程序的建立、雙流道泵內(nèi)非定常三維湍流的數(shù)值模擬、利用先進(jìn)的PIV技術(shù)研究雙流道泵葉輪內(nèi)部的復(fù)雜流動而展開。主要工作及創(chuàng)造性成果如下： 1.發(fā)展了一套基于微分方程法生成三維結(jié)構(gòu)化貼體網(wǎng)格的程序。所用微分方程為Poisson方程

2、，并采用Thompson和Sorenson的思想，以指數(shù)函數(shù)作內(nèi)插傳遞、根據(jù)網(wǎng)格正交性和間距的要求構(gòu)造源函數(shù)P，Q，R。用該程序生成的雙流道泵葉輪和蝸殼網(wǎng)格，品質(zhì)良好，能夠滿足雙流道泵內(nèi)流計算精度的要求，且網(wǎng)格疏密度可人為控制，網(wǎng)格線與邊界線正交，便于湍流壁面條件的引入。該網(wǎng)格生成程序經(jīng)改進(jìn)也可用于其他非規(guī)則幾何形狀流道網(wǎng)格的自動生成。 2.開發(fā)了一套基于求解Reynolds時均化的Navier-Stokes方程組的、可用于層流

3、或湍流、可壓縮或不可壓縮、旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)三維流動的數(shù)值計算程序，并在Visual FORTRAN平臺上開發(fā)了該程序的用戶操作界面。在其中應(yīng)用了基于同位網(wǎng)格系統(tǒng)的SIMPI正算法，并利用Rhie和Chow提出的動量插值法消除同位網(wǎng)格上可能出現(xiàn)的波形壓力場。對于湍流時均流場的數(shù)值模擬，程序中包括標(biāo)準(zhǔn)K-兩方程模型以及考慮旋轉(zhuǎn)與曲率修正的K-模型。用該程序依次計算了0彎管、雙流道泵葉輪和蝸殼內(nèi)的流動，并與FUYENT計算結(jié)果對比研究，表明所開發(fā)

4、的程序具有較高的可靠性、流場模擬的準(zhǔn)確性以及處理各類問題的靈活性。 3.利用FLUENT軟件對雙流道泵全流道內(nèi)非定常三維湍流進(jìn)行了數(shù)值模擬，從不同層面較全面地揭示了雙流道泵全流道內(nèi)的絕對速度、相對速度、靜壓、總壓、湍動能和固相體積濃度分布規(guī)律；分析了雙流道泵全流道內(nèi)固.液兩相流場隨顆粒直徑和顆粒體積濃度的變化規(guī)律；揭示了雙流道泵內(nèi)受葉輪.蝸殼動靜干涉引起的非定常流動特性。主要結(jié)論有： (1)同一工況下，葉輪流道內(nèi)不同截面

5、上速度分布不同，靠近前蓋板側(cè)的截面受葉輪進(jìn)口有旋流動影響大，流動相對紊亂，葉輪出口邊上速度分布最不均，靠近后蓋板側(cè)的截面受葉輪進(jìn)口有旋流動影響小，流動相對規(guī)律，葉輪出口邊上速度分布最為均勻。 (2)不同流量工況下，雙流道泵內(nèi)速度場和壓力場分布規(guī)律類似，但是，隨著流量的增加葉輪流道內(nèi)相對速度增大、絕對速度減小，流道進(jìn)出口總壓差逐漸降低。設(shè)計工況下，雙流道泵的內(nèi)部流態(tài)最好。 (3)固.液兩相流場中，固相體積濃度分布不均。葉輪

6、進(jìn)口處顆粒分布還比較均勻，隨著流動的發(fā)展，顆粒在向外運動的同時，嚴(yán)重偏向葉輪工作面和后蓋板，進(jìn)入蝸殼流道后，少部分顆粒能直接從蝸殼出口流出，大部分顆粒撞擊蝸殼壁面，留在蝸殼內(nèi)轉(zhuǎn)動數(shù)圈才能流出。顆粒濃度變化對固相的離析作用影響相對不大，但是，顆粒體積濃度較小時，顆粒有向流道吸力面遷移的趨勢。顆粒直徑變化對固相的離析作用影響較大，粒徑越大，流道內(nèi)顆粒分布越不均勻，固相的離析作用越明顯。在本文所研究的粒徑和濃度范圍內(nèi)，雙流道泵的揚程隨顆粒濃度

7、的增加而減小，粒徑變化對揚程的影響不明顯。 (4)考慮葉輪和蝸殼的動靜干涉作用，不同時刻雙流道泵的內(nèi)部流動呈現(xiàn)不同特點。當(dāng)葉道旋轉(zhuǎn)至靠近蝸殼出口側(cè)時，速度和壓力分布規(guī)律性強(qiáng)；當(dāng)葉道旋轉(zhuǎn)至遠(yuǎn)離蝸殼出口側(cè)時，流體流動受阻，葉輪出口明顯有回流。隨著葉道相對隔舌位置的不同，蝸殼內(nèi)靜壓和總壓分布呈周期性變化，每個葉片的尾部在蝸殼內(nèi)的總壓分布圖上留下了明顯的尾跡區(qū)。 4.構(gòu)建了離心泵專用PFV測試臺，設(shè)計制作了滿足PFV測試要求的模