離心泵葉輪汽蝕數(shù)值模擬及其流固耦合分析.pdf

1、離心泵是一種關(guān)乎國家經(jīng)濟基礎的重要的通用流體機械，汽蝕則是制約離心泵性能和發(fā)展的重要因素，不僅是離心泵各種葉輪機械都會因為汽蝕現(xiàn)象而導致性能下降，造成設備的振動和噪聲，甚至導致機器的損毀破環(huán)，所以解決汽蝕問題十分的重要。在離心泵的工作過程中會伴隨著葉輪的局部壓強降低，尤其是葉輪進口，當壓強降低至飽和蒸汽壓時就會產(chǎn)生汽蝕，現(xiàn)有的科研成果主要分為兩類方法解決汽蝕，一種是提高進口壓強，一種是優(yōu)化葉輪。想要從根本上解決汽蝕問題還要從設備的研發(fā)和

2、優(yōu)化設計做起，所以本文就主要通過葉輪設計，配合數(shù)值計算流固耦合分析和離心泵特性試驗相結(jié)合的方法對離心泵的葉輪汽蝕問題進行研究。本文的主要工作和實驗過程如下:
　　1、為了研究葉輪對離心泵汽蝕的影響，運用Ansys bladegen設計了在相同子午面流道，和相同三元葉型情況下設計四種葉片數(shù)，四種葉片包角，四種葉片進口角的離心泵葉輪，利用Pro/e對葉輪模型的葉片進行三維設計。
　　2、為了模擬離心泵整機的流場，需要對進口段和擴

3、壓器(蝸殼)進行建模，而擴壓器也是一個重要的部件，它起著將介質(zhì)的動能轉(zhuǎn)化為靜壓能的作用，最后將離心泵各個部件進行裝配。
　　3、運用數(shù)值模擬軟件CFX，對設計好的葉輪進行整機流場和汽蝕模擬，首先對離心泵進行網(wǎng)格無關(guān)性分析確定最佳的網(wǎng)格數(shù)量，用空化多相非定常模型來模擬離心泵內(nèi)流場，進口采用總壓進口和質(zhì)量流量出口來調(diào)節(jié)NPSHa，使用Rayleigh-Plesset方程描述空泡生成和潰滅，使用了SST湍流模型封閉，采用了多重參考坐標系

4、處理旋轉(zhuǎn)葉輪與蝸殼動靜耦合交界面。最后可以得到離心泵葉輪的汽蝕分布，壓力分布等高線，速度分布矢量圖，以及流線圖，并通過內(nèi)部函數(shù)預測了離心泵的外特性參數(shù)，對比分析了三類葉片葉輪的汽蝕特征，得出了離心泵葉輪內(nèi)湍流的汽泡分布規(guī)律。試驗結(jié)果表明:(1)離心泵汽蝕從葉輪進口產(chǎn)生，沿著葉片背面向葉輪流道發(fā)展。(2)離心泵葉片數(shù)量葉數(shù)太少，流體流動情況很不好，流道內(nèi)有很嚴重的二次渦堵塞流道，葉數(shù)較多的葉輪雖然對流體能量傳遞更多但是葉片機械損失也就增加

5、，模擬結(jié)果表明7葉片的葉輪性能最佳。(3)葉片包角影響葉輪流道的形狀，從而影響汽泡的發(fā)展和擴散，模擬結(jié)果表明包角120°時的汽泡含量最低。(4)葉片進口形狀主要影響汽蝕的初生，安放角越小葉片進口越彎曲，沖角越小，紊流就越嚴重，進而導致局部壓力下降加速汽蝕。
　　4、對葉輪進行流固耦合分析，葉輪在有流場預應力載荷的情況下分析其葉輪載荷和振動情況。將上面不同參數(shù)的葉輪在NPSHa=2，Q=21kg/s工況下的流場壓力施加到葉輪表面上，