帶分流葉片離心泵全流場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào)和設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、低比速離心泵廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，為了進(jìn)一步提高其水力性能，改善內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，人們?cè)谌~輪相鄰兩長(zhǎng)葉片之間添置分流葉片。課題組前期研究表明，添置分流葉片后離心泵的性能確有提高。本文在高等學(xué)校博士點(diǎn)基金項(xiàng)目的資助下，采用數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，對(duì)帶分流葉片的低比速離心泵進(jìn)行研究，旨在找出分流葉片對(duì)全流場(chǎng)內(nèi)部流動(dòng)以及對(duì)低比速離心泵性能的影響規(guī)律，完善帶分流葉片離心泵的設(shè)計(jì)方法。主要研究工作和創(chuàng)造性成果有： (1)簡(jiǎn)要回顧

2、了離心泵內(nèi)部流動(dòng)測(cè)試與數(shù)值模擬的研究進(jìn)展；討論了分流葉片對(duì)低比速離心泵內(nèi)部流動(dòng)改善和效率提高的機(jī)理，并對(duì)其研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析；對(duì)離心泵的理論特性、內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理和粘性損失作了較全面的概括。 (2)總結(jié)了本課題組前期在分流葉片方面的研究工作：正交試驗(yàn)得出的分流葉片的幾何參數(shù)對(duì)性能的影響情況，及CFD數(shù)值計(jì)算與PIV測(cè)試的對(duì)比結(jié)果等。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)分流葉片的進(jìn)口直徑和周向偏置度進(jìn)行多方案設(shè)計(jì)和葉輪內(nèi)的流場(chǎng)計(jì)算，深入探索了分流葉片改善

3、葉輪內(nèi)部流動(dòng)的機(jī)理。首次引入湍動(dòng)能及葉片載荷的概念，深入分析了添置分流葉片后對(duì)葉輪做功，及對(duì)葉輪內(nèi)“射流-尾流”結(jié)構(gòu)的改善原理；通過(guò)對(duì)單個(gè)流道內(nèi)多截面的速度分布分析，了解分流葉片偏置對(duì)兩個(gè)分流道內(nèi)流量分布及速度分布的影響趨勢(shì)。 (3)引入葉片數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行多方案改進(jìn)設(shè)計(jì)，首次對(duì)包括葉輪前后腔體的離心泵全流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。針對(duì)其中一個(gè)設(shè)計(jì)方案，采用不同的湍流模型、網(wǎng)格數(shù)以及迭代殘差，對(duì)數(shù)值模擬的計(jì)算精度進(jìn)行了驗(yàn)證，盡可能地把

4、人為誤差控制在最小范圍內(nèi)，確保后期計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性。預(yù)報(bào)了各設(shè)計(jì)方案離心泵的性能曲線，得出添加分流葉片后對(duì)泵性能的影響趨勢(shì)：H-Q曲線更趨平坦，-Q曲線向大流量方向偏移，且高效區(qū)變寬；P-Q曲線更加陡增。 (4)通過(guò)對(duì)分流葉片及長(zhǎng)葉片上的作用力矩分析，以及葉輪內(nèi)流場(chǎng)的湍動(dòng)能分布規(guī)律，首次提出了“分流葉片作用力矩為正”的原則，來(lái)確定分流葉片進(jìn)口直徑取值的上限；并結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，建立了適用于低比速離心泵的分流葉片進(jìn)口直徑的設(shè)計(jì)公式

5、。 (5)首次通過(guò)數(shù)值模擬方法，預(yù)測(cè)了不同工況下葉輪蓋板內(nèi)外側(cè)表面的粘性損失及圓盤(pán)摩擦損失；并把圓盤(pán)摩擦損失值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比，二者在設(shè)計(jì)點(diǎn)處有較好的一致性，但計(jì)算得到的不同工況下的圓盤(pán)摩擦損失分布規(guī)律是一種新的發(fā)現(xiàn)，各個(gè)方案都在1.0Qd附近有極小值，圓盤(pán)摩擦損失所占軸功率比例為15％左右，在0.4Qd附近有極大值，圓盤(pán)摩擦損失可占30％以上。 (6)采用L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用FDM熔絲沉積成形工藝加

6、工葉輪，并進(jìn)行外特性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)正交試驗(yàn)，獲得分流葉片幾個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)泵性能影響的主次順序，并提出了分流葉片各設(shè)計(jì)參數(shù)的取值原則。為了與前期數(shù)值計(jì)算部分對(duì)應(yīng)起來(lái)，驗(yàn)證數(shù)值預(yù)報(bào)離心泵性能規(guī)律的準(zhǔn)確性，對(duì)第四章改進(jìn)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)葉輪加工并進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。結(jié)果表明，二者性能曲線分布規(guī)律相似，但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要比數(shù)值預(yù)報(bào)所得揚(yáng)程和效率略低，揚(yáng)程預(yù)測(cè)誤差在5％左右，效率預(yù)測(cè)誤差在10％以內(nèi)，基本滿足工程要求。 (7)首次對(duì)帶分流葉片離心泵的無(wú)過(guò)載特性進(jìn)

7、行探索。對(duì)某一帶分流葉片葉輪方案，與同一型號(hào)性能較好的蝸殼進(jìn)行配對(duì)，并進(jìn)行全流場(chǎng)數(shù)值模擬和結(jié)果對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)喉部面積的改變可以改變高效點(diǎn)的位置，但性能曲線的形狀基本沒(méi)有改變。對(duì)于另外一個(gè)型號(hào)有高效率和無(wú)過(guò)載要求的帶分流葉片的低比速離心泵，進(jìn)行了蝸殼的多方案設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，分析了蝸殼喉部面積設(shè)計(jì)對(duì)帶分流葉片的離心泵無(wú)過(guò)載特性的影響關(guān)系，探索其對(duì)軸功率特性的改進(jìn)，但發(fā)現(xiàn)單純通過(guò)減小蝸殼喉部面積，很難實(shí)現(xiàn)功率特性的控制。 (