节能离心泵全流道数值模拟及性能预测

【摘要】：水泵在众多工业领域中有着广泛的应用,发挥着重要的作用,但与此同时,由于流体设计方面的原因,传统水泵的效率不高,成为相应行业中耗电的“大户”。因此提高泵的效率,降低泵的能耗,改善泵的性能,不仅具有重要的工业价值,而且具有理论意义。 传统的泵的设计方法基于半理论、半经验和试验验证的基础上,即“设计—试制—试验—改进”的设计方法,该方法受研究手段所限不能全面了解泵内部流场分布及流动特点,在设计上存在诸多值得改善的地方。近年来,随着计算流体力学(CFD)的发展及应用,使得通过数值仿真,全面研究离心泵内部流动已经成为可能。 本论文以某新型节能离心泵为研究对象,利用现代非结构网格技术离散泵全流道区域,用κ-ε双方程模型和大涡模拟方法分别对不同工况下的内部流动进行了分析,并对不同叶轮组合情况下泵的性能进行了对比研究。主要研究工作如下: (1) 在查阅大量文献的基础上,综述了计算流体力学在流体物理、网格技术以及计算方法等方面的最新发展及动态,以及CFD在流体机械内部流动数值模拟方面的应用,并对雷诺时均方程、标准κ-ε模型和基于非结构网格的有限体积法和SIMPIEC算法在离心泵流场中的应用进行了全面的总结。 (2) 应用GAMBIT软件,对三维扭曲叶片,叶轮区域、导流槽区域、旋流管区域和进出口区域分别进行了三维几何建模,结合现代非结构网格技术,对流道各区域进行了网格划分,并用非一致网格对接技术,实现了各区域的流动信息交换。通过TGRID软件连接各计算区域,成功建立了具有复杂流道的节能离心泵从进口到出口区域的全流道三维数值计算模型。 (3) 基于标准κ-ε双方程模型、现代非结构网格技术和有限体积离散方法,使用Fluent流体动力学软件,计算了四叶片型式下,12种不同流量工况下的水泵扬程、轴功率和效率,并与试验结果进行对比,吻合较好,从而验证了此次数值建模和计算方法的正确性。同时还分别针对4种不同叶片型式下的叶轮,在6种不同流量工况下分别进行了计算,并 【关键词】：节能离心泵 数值模拟 非结构网格 有限体积法
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：TH311
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-27
• 1.1 前言12-13
• 1.2 计算流体力学简介13-21
• 1.2.1 计算流体力学特征13-14
• 1.2.2 计算流体力学优势14-15
• 1.2.3 计算流体力学进展15-19
• 1.2.4 CFD通用软件介绍19-21
• 1.3 离心泵内部流动数值模拟简介21-24
• 1.3.1 控制方程22-23
• 1.3.2 定解条件23
• 1.3.3 离散方法23
• 1.3.4 计算方法23-24
• 1.4 为什么选择FLUENT24-25
• 1.5 本文的主要工作25-27
• 第二章 流动描述及数值计算方法27-55
• 2.1 流动控制方程27-29
• 2.1.1 质量守恒方程27
• 2.1.2 动量守恒方程27-29
• 2.1.3 控制方程的通用形式29
• 2.2 湍流及其数学描述29-32
• 2.2.1 湍流控制方程29-30
• 2.2.2 标准k-ε两方程模型30-32
• 2.3 近壁湍流模拟的壁函数法32-35
• 2.3.1 动量方程中变量u的计算式33-34
• 2.3.2 湍动能方程与耗散率方程中k和ε的计算式34-35
• 2.4 有限体积法35-38
• 2.5 二阶迎风离散格式38-41
• 2.6 SIMPLEC算法41-51
• 2.6.1 基于交错网格下的SIMPIEC算法42-46
• 2.6.2 基于非结构网格下的SIMPIEC算法46-51
• 2.6.2.1 动量方程的离散46-47
• 2.6.2.2 速度修正方程的建立47-50
• 2.6.2.3 压力修正方程的建立50-51
• 2.7 旋转参考坐标系51-55
• 2.7.1 旋转坐标系中的运动表述52-53
• 2.7.2 导入网格后的建模步骤53
• 2.7.3 求解方法53-55
• 第三章 泵物理模型及网格生成55-61
• 3.1 三维流道实体模型的建立55-56
• 3.2 三维网格生成56-60
• 3.2.1 网格拓扑结构56-57
• 3.2.2 非一致网格技术57-59
• 3.2.3 网格划分59-60
• 3.3 边界类型和连续介质类型60-61
• 第四章 数值模拟及泵性能预测61-89
• 4.1 边界条件处理61-62
• 4.2 叶轮受力特性分析62-63
• 4.3 能量指标与空化性能63-66
• 4.3.1 能量指标63-64
• 4.3.2 空化性能64-65
• 4.3.3 数值模拟值与试验实测值对比分析65-66
• 4.4 各种组合情况下的计算结果66-72
• 4.4.1 不同组合下叶轮受力特性分析67-69
• 4.4.2 不同组合下的能量和气蚀性能分析69-72
• 4.5 不同工况下的流场及分析72-89
• 4.5.1 最优工况72-78
• 4.5.2 小流量工况78-83
• 4.5.3 大流量工况83-89
• 第五章 大涡模拟89-102
• 5.1 人涡模拟原理89-94
• 5.1.1 传统紊流模型的局限性以及直接数值模拟困难89
• 5.1.2 大涡模拟成立的力学基础89-90
• 5.1.3 大涡模拟的滤波函数90-91
• 5.1.3.1 BOX滤波器90-91
• 5.1.3.2 傅式截断滤波器91
• 5.1.3.3 高斯型滤波器91
• 5.1.4 控制方程91-92
• 5.1.5 亚格子涡粘模型92-94
• 5.1.5.1 Smagorinsky-Lilly亚格子模型92-93
• 5.1.5.2 RNG亚格子模型93
• 5.1.5.3 Wale亚格子模型93-94
• 5.1.6 大涡模拟的近壁处理94
• 5.2 数值方法及边界条件94-95
• 5.3 计算成果95-102
• 5.3.1 能量、空化及力学性能的对比分析95
• 5.3.2 内部压力场对比分析95-96
• 5.3.3 内部流场分布的对比分析96-102
• 5.3.3.1 叶轮区域96-97
• 5.3.3.2 叶片97-99
• 5.3.3.3 旋流管99-101
• 5.3.3.4 导流槽101-102
• 第六章 结论与展望102-107
• 6.1 结论102-105
• 6.1.1 能量性能102
• 6.1.2 空化性能102-103
• 6.1.3 叶轮受力特性103
• 6.1.4 内部流场计算成果103-105
• 6.1.4.1 叶轮内流场分布103-104
• 6.1.4.2 叶片表面流场分布104
• 6.1.4.3 导流槽内流场分布104-105
• 6.1.4.4 旋流管及出口区域流场分布105
• 6.1.5 κ-ε模型和大涡模拟模型对比分析成果105
• 6.2 展望105-107
• 致谢107-108
• 参考文献108-112
• 附录A112-133
• 附录B133

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