分流叶片几何参数对低比转速离心泵水力性能的影响

摘要

低比转速离心泵的显著特点是流量小、扬程高，被广泛应用于与流体相关的各个领域中,它的结构特点是流道狭长且窄，出口宽度小，造成水力损失较大，圆盘摩擦损失较为严重，导致其运行效率偏低，甚至会使机组产生振动和噪声，内部流动不稳定。如何提高低比转速离心泵的各项性能，已经成为了一个不可忽视的问题。 本文以某低比转速离心泵为研究对象，比转速ns=32，叶片数为6。第一部分，在小流量工况下，针对SST k-ω湍流模型计算离心泵外特性结果误差较大的问题，通过改变模型参数β*、β1、A1、β2的取值，分析4个参数的取值对离心泵外特性计算的影响程度；第二部分，采用分流叶片设计法，主要研究分流叶片几何参数对离心泵性能的影响，首先，确定叶轮的叶片数，分别有3+3、4+4、5+5（长叶片数+分流叶片数）三种方案，计算三种方案离心泵的外特性，对比计算结果，最终确定叶片数为5+5；分析分流叶片进口直径Din、分流叶片出口厚度Lout及位置调节系数Ki三个不同参数对离心泵内部流动特性的影响；最后，对原型泵和优选离心泵分别进行定常与非定常计算。主要研究内容及结论如下： （1）在小流量工况下，选用SST k-ω湍流模型计算离心泵的外特性，结果表明，计算结果与测试结果有较大误差。因此，通过调整模型参数β*、β1、A1、β2的取值，缩小计算结果与测试结果之间的误差，结合正交试验设计法和控制变量法设计不同参数方案；计算结果表明，参数A1对离心泵扬程的计算影响最大，并且当A1取初始值的1.5倍时，计算结果与试验结果更接近；参数β1对离心泵扬程及效率的计算影响较大，当β1取初始值的2倍时，计算结果与试验结果更接近；参数β2、β*对离心泵扬程和效率的计算影响最小。 （2）在设计工况下，研究分流叶片几何参数对低比转速离心泵外特性的影响。对比外特性结果发现，最优方案为n22，其中Din=232.5mm，Lout=5mm，Ki=0.97，离心泵的效率最高，η=48.69%，相比原模型泵计算得到的效率提高了2.2%，扬程为4.761m，满足设计要求。 （3）在设计工况下，对原型泵和27种分流叶片离心泵进行定常模拟，结果表明：进口直径为201.5mm，出口厚度Lout=5mm，叶轮进口处低压区域范围最小；叶轮流道出口与蜗壳隔舌对应位置的湍动能最大，随着分流叶片进口直径增加，该位置湍动能越来越小，随着位置调节系数Ki增加，该位置湍动能增大，湍流脉动明显；相邻叶片均有漩涡产生，原型泵叶轮上的漩涡主要集中在叶片背面，而分流叶片叶轮上的漩涡主要集中在工作面。 （4）在设计工况下，对原型泵和优选分流叶片离心泵进行非定常数值模拟，结果表明：分离叶片离心泵叶轮及蜗壳内部各个监测点的最大压力脉动幅值明显小于原型泵对应的各个监测点最大压力脉动幅值；相比原型泵，分流叶片离心泵叶轮进口的低压分布范围更小，同时，分流叶片离心泵叶轮进出口压力比原型泵小，分流叶片叶轮流道内漩涡区分布范围比原型叶轮流道内漩涡区的分布范围小，减小叶轮内能量损失，改善流道内的流线，优化流场结构。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2国内外进展及研究现状

1.2.1叶轮优化设计研究现状

1.2.2湍流模型研究现状

1.3论文主要研究内容

第二章 数值算法

2.1引言

2.2基本控制方程

2.2.1连续方程

2.2.2动量方程

2.2.3能量方程

2.3湍流模型

2.3.2 RNG k-ε湍流模型

2.3.3标准k-ω湍流模型

2.3.4剪切应力输运SST k-ω湍流模型

2.4本章小结

第三章 数值模型参数研究

3.1引言

3.2计算模型

3.2.1三维建模

3.2.2网格划分

3.3边界条件

3.4试验验证

3.4.1试验原理

3.4.2试验步骤

3.4.3试验结果分析

3.5模型参数分析

3.6算法验证

3.7本章小结

第四章 分流叶片离心泵内流场数值模拟

4.1引言

4.2分流叶片叶轮方案设计

4.3边界条件

4.4计算结果及分析

4.4.1分流叶片几何参数对离心泵外特性的影响分析

4.4.2分流叶片离心泵定常特性分析

4.4.3优选离心泵非定常特性分析

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1 主要研究结果

5.2 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间取得的科研成果