基于正交试验及CFD的液环真空泵优化设计

摘要

液环真空泵是工业生产中常用的一种特殊泵，因其内部的非定常、漩涡、气液两相流、可压缩、回流等复杂流动现象，导致其泵的性能较差，所以一直以来，如何提高液环真空泵的性能，对其进行优化设计分析，保证其长期可靠运行，是一项重要的课题。本论文主要从液环真空泵的叶轮和吸气口两方面展开研究，一方面利用正交试验设计方法对叶轮进行优化设计，另一方面针对吸气口回流现象对吸气口形状进行改进设计。采用数值模拟和试验研究两种研究方法，对这两方面的内容进行研究分析，主要工作和得到的结论如下： 1.对液环真空泵进行全流道数值模拟计算，将数值模拟得到的进口真空度与试验测得的结果进行对比，发现两者变化趋势较为吻合，从而可以运用该数值模拟方法对液环真空泵进行可靠的性能预测。 2.首先对液环真空泵叶轮的诸多几何参数进行敏感性分析，选取对进口真空度影响较大的轮毂比、偏心距、叶片数和叶片出口安放角4个几何参数作为正交试验的试验因素。然后根据正交试验原理进行试验方案设计，以进口真空度和轴功率作为评判指标，对数值模拟的9组正交试验方案的结果分别进行直观分析、极差分析和方差分析，综合考虑分析结果，确定此次优化方案为轮毂比为0.4，偏心距为16mm，叶片数为14，叶片出口安放角为50°。最后对比优化前后模型的数值计算结果，发现在额定工况下，优化后模型的进口真空度比优化前的高2.38kPa，而优化后的轴功率却减少了0.06kW，内部流动状态也有所改善，说明通过采用正交试验设计方法结合数值模拟可实现液环真空泵叶轮的优化设计研究。 3.通过对液环真空泵吸气口回流现象的研究，发现液环真空泵吸气口的回流现象在各个工况下均会发生，但回流强度和回流发生的位置却有所差别。在小流量工况下，回流主要发生在吸气口上端，回流强度较大，随着流量的增大，吸气口上端的回流减弱，而吸气口下端的回流却在逐渐增强，在大流量工况时，回流发生在吸气口下端，回流强度较弱。在各个工况运行的过程中，吸气口中间的气体流动受回流影响较小。根据对吸气口处的压力分布的分析，发现吸气口发生回流的原因是由于吸气段内的压力低于对应的叶轮内吸气区的压力所致。根据吸气口回流现象，对吸气口形状进行有依据的改进。对改进方案的数值计算结果进行分析，结果表明：在保证吸气口面积不变的前提下，根据液环真空泵的运行需要，有针对性地适当调节吸气口的始端角和末端角，可以改善吸气口的回流，在一定程度上能够提高泵的性能。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 液环真空泵国内外研究现状

1.2.2 气液两相流国内外研究现状

1.2.3 正交试验国内外研究现状

1.2.4 进口回流国内外研究现状

1.3 本文的主要研究工作

1.4 课题来源

1.5 本章小结

第2章 数值模拟理论基础

2.1 流体动力学控制方程

2.2 湍流时均控制方程

2.3 气液两相流的基本方程组

2.4 VOF模型

2.5 本章小结

第3章 液环真空泵数值计算方案的确定和试验验证

3.1 液环真空泵的工作原理

3.2 几何模型的建立

3.3计算区域网格划分

3.3.1 网格划分

3.3.2 网格无关性检验

3.4 数值方法

3.4.1 气液两相流模型的选择

3.4.2 湍流模型的选择

3.4.3 流场数值计算方法

3.4.4 边界条件的设置

3.4.5 离散格式与时间步长

3.4.6 操作物性参数及工况说明

3.5.1 试验目的

3.5.2 试验方案

3.5.3 试验结果对比

3.6 本章小结

第4章 基于正交试验液环真空泵的叶轮优化设计

4.1 正交试验原理

4.2 正交试验因素的确定

4.2.1 液环真空泵主要几何因素的说明

4.2.2 叶轮主要几何参数敏感性分析

4.3.1 试验目的

4.3.2 试验方案的确定

4.4 正交试验结果分析

4.4.1 直观分析

4.4.2 极差分析

4.4.3 方差分析

4.5 最优方案确定

4.6 数值模拟优化结果分析

4.6.1 数值模拟性能曲线对比

4.6.2 内部流场对比分析

4.7 本章小结

第5章 液环真空泵吸气口回流流场特性研究

5.1 回流概述

5.2 液环真空泵吸气口回流流场特性研究

5.2.1 吸气口流场分布

5.2.2 吸气段内轴向速度分布

5.2.3 吸气口压力分布

5.3.1 吸气口形状改进设计

5.3.2 改进方案的数值模拟结果对比分析

5.4 本章小结

结论与展望

一、结论

二、展望

参考文献

致谢

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