离心泵水力模型的设计与数值模拟验证论文.docx

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1、一、离心泵水力模型的设计1、泵的主要设计参数和结构方案的确定1-1设计参数和要求流量；扬程；转速（或由设计者确定）；装置汽蚀余量（或给出装置的使用条件）；效率（要求保证的效率）；介质的性质（温度、重度、含杂质情况、腐蚀性等）；对特性曲线的要求（平坦、陡降、是否允许有驼峰等）。1-2确定泵的总体结构形式和泵的进出口直径=%&V Vs=(1 - 0.7)Ds泵进口直径选取原则：泵出口直径选取原则:DD1-3泵转速的确定确定泵转速应考虑下面几个因素：泵转速越高，泵的体积越小；确定转速应考虑原动机的种类和传动装置；提高转速受汽蚀条件的限制。可根据汽蚀比转数选取=5.62nyQ NPSHf 41-4计算

2、比转数ns,确定水力方案ns =3.65 q在确定比转数时应考虑下列因素：ns=120210的区间，泵的效率最高，ns60的效率显著下降；可以采用单吸或双吸的结构形式来改变比转数的大小；泵特性曲线的形状与比转数的大小有关。1-5估算泵的效率水力效率h =l + 0.08351g3 -容积效率l + 0.68n273该容积效率为只考虑叶轮前密封环的泄漏，对于有平衡孔、级间泄漏和平衡盘泄漏的情况，容积效率还要相应降低机械效率= 1-0.07100泵的总效率1-6轴功率和原动机功率轴功率gpQH102 77原动机功率N c = 12N1-7轴径和轮毂直径的确定泵轴直径的确定应按强度、刚度和临界转速等

3、情况确定。由于扭矩是泵主要的载荷，开始设计时首先按扭矩来确定泵轴的最小直径，最小直径一般位于联轴节处。Mn =9.55103-nN =KN根据轴各段的结构工艺要求，确定叶轮处的轴径dB和轮毂直径dho一般dh =(K2-1.4)dB2、相似设计法2-1相似设计法的导出扬程和功率应满足如果两台泵相似，比转速必然相等，在相似工况下，两台泵的流量、公式：Qp z Dp .3 npQm Dm m两台相似泵的尺寸比例可以从上式求得:在实际计算时，入Q和入H往往并不相等，在两者差值不大时，一般取较大的值。3-1叶轮进口直径Do的确定 根据给定的参数，计算比转数ns； 根据ns选择模型泵； 根据已选定的模型

4、和给定的参数，计算放大或缩小系数人； 根据人确定过流部件的尺寸；D?p 202mb?p =Dip = 2Dmblp = blm 根据模型泵性能曲线换算出是型泵性能曲线的数据；0之4g nn c%（产/N,=尤-3N,3nmYmQpHp%102N/, 绘制实型泵图纸实型泵过流部件所有角度与模型相等，所有尺寸按计算出的人值放大或缩小。但应考虑到制造的可能性和结构的合理性（如叶片和导叶厚度不能太厚或太薄）可作适当的修改。2-3相似设计法应注意的问题关于性能和效率问题；关于结构形式的影响；关于修改模型问题；汽蚀相似问题。3、速度系数设计法比转数相等的泵的速度系数是相等的。不同的比转速就有不同的速度系数

5、。我们以现有性能比较好的产品为基础，统计出离心泵的速度系数曲线，设计时按n S选取速度系数，作为计算叶轮尺寸的依据，这样的设计方法就叫做速度系数设计法。叶轮主要几何参数有：叶轮进口直径DO； 叶片进口直径D1；叶轮轮毂直径dh；叶片进口角 1；叶轮出口直径D2；叶轮出口宽度b2；叶片出口角8 2；叶片数z；叶片包角 o因为有的叶轮有轮毂，有的叶轮没有轮毂，为了研究问题方便，引入当量直径De以排除轮毂的影响。De =De =对于双吸泵取Q/2主要考虑泵的效率时兼顾效率和汽蚀时主要考虑汽蚀时KoKo=3.54.OKo=4.O-5.OKo=5.O-5.53-2叶轮出口直径D2的初步计算Kd2=9.3

6、5(d)100-1/2叶轮外径D2和叶片出口 B 2等出口儿何参数，是影响泵杨程的最重要的因素。3-3叶轮出口宽度b2的计算和选择式中b9b 20.64(-5/61OO3-4叶片数的计算和选择叶片数对泵的扬程、效率、汽蚀性能都有一定的影响。选择叶片数，一方面考虑尽量减小叶片的排挤和表面的摩擦，另一方面又使叶道有足够的长度，以保证液流的稳定性和叶片对液体的充分作用。一般来说z = 13-sin+2e2对于低比数离心叶轮N = 6.53sin 日十也r2 -ri2n304545-60Sz8107-83-5介绍确定叶轮尺寸的其它速度系数由相似原理，可以写出速度系数的一般表达式： =常数D360720

7、120-3006 74-6叶片数也可按比转数选择速度v和nD成比例有：= K由H2r2 D = Jl nQ二常数H或nV = v 2,gFf利用上述公式、比转数的大小、并借助经验公式可以计算出泵相应的尺寸V。= Kvo CwH的04Q7ZVo2 Ku2 y2gH= Krn2 J2gb2Q办2村忆2对于斜流泵对于多级泵D。3-6叶轮外径D 2或叶片出口角3 2的精确计算前述确定叶轮外径D 2的计算方法中，速度系数是按一般情况（ 2=22.5）得出的。在设计泵时，可以选用不同的参数的组合，这时就增加了速度系数的近似性。因为D 2是主要的尺寸，按速度系数法确定后，最好以此为基础进行精确计算。由基本方

8、程式“T8由出口速度三角形所以V2oo = 2匕九2tg2= 2(g)1 匕Z1整理后，得tgz-产1 - gHs = O解上面的方程,匕九212tgz匕九2)2 g/g +匕”由U 2可求得D 2为60u2n对于离心泵，一般先选B 2再计算D 2；对于混流泵，先确定各流线的D2,精确计算3 2角豆竺一/七13-7叶片进口安放角的确定叶片进口安放角大于液流角，采用正冲角AB = 39进口安放角的计算：tglVmlui - vulV u由吸水室的结构确定。对直锥形吸水室V u 1 = 0；对螺旋形吸水室，可按经验公式确定各流线的v ul值。 = vur = hiVq2式中 m =0.055-0.

9、08, n s小取小值。叶片进口轴面速度QrvFkZStl = 1 zsl 1 1Z / ctg1 )2D1u D1usin 1 D1u y sin Z1叶片出口安放角和出口三角形离心泵一般是先选择叶片出口角。混流泵一般按叶片出口处液流符合vur=常数的方法来确定出口角。计算时先按扬程计算出中间流线的vur,进而求出其它流线的vu。m2QrvF2k2k) ,-tZS2 _ ZS2 _ ZB? L (CtgB? x2-i 1/1 十 I)D2 Z)2rsin 2 D2 V sin 2二、离心泵的数值模拟验证1、CFD数值模拟的基本理论在应用FUJENT进行离心泵内部流场数值计算时，要建立一系列的

10、计算流体动力学分析模型，包括控制方程、湍流模式、离散方式、藕合算法等。不同的模型组合可能得到不同的计算结果。本章即重点介绍有关计算流体力学CFD的基本知识，通过对这些模型的对比分析，确定处理方法。1-1计算流体力学简介流体力学可分为理论、实验和计算流体力学三个分支学科。理论流体力学的任务在于探讨流体运动的物理规律，建立描述规律严密且完备的连续介质数学模型，并在某些假定条件下寻求封闭形式的解析解;实验流体力学建立在相似理论的基础上，主要研究实验方法、设施、仪器和数据处理等内容，实验结果比较真实可信，是检验理论和计算结果的重要标准，但是实验耗资昂贵，实验条件又受到许多限制，如模型尺度限制、边界影响

11、、不能同时满足几个相似准则、有测量误差等;计算流体力学以理论流体力学和计算数学为基础，涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算机图形学、数值分析等学科，主要研究把描述流体运动的连续介质数学模型离散成大型代数方程组，建立可在计算机上求解的算法。一般以理论流体力学给出的数学模型为研究的基础，通过时空离散化，把连续的时间离散成间断有限的时间，把连续介质离散成间断有限的空间模型，从而把偏微分方程转变成有限的代数方程。因此，数值方法的实质就是离散化和代数化。离散化就是把无限信息系统变成有限信息系统，代数化就是把偏微分方程变成代数方程。采用计算流体动力学对工程流动问题进行数值模拟，包括以下几个

12、步骤：首先，要建立反映问题（工程问题、物理问题）本质的数学模型。建立反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件。牛顿性流体流动的数学模型就是著名的N-S方程及其相应的定解条件。其次，数学模型建立后需要解决的是寻求高效率、高准确度的计算方法。计算方法不仅包括数学方程的离散化及求解方法，还包括计算网格的建立、边界条件的处理。再次，在确定了计算方法和坐标系统后，编制程序和进行计算是整个工作的主体。当求解的问题比较复杂，如求解非线性的N-S方程，还需要通过实验加以验证。最后，显示计算结果。利用计算机图形学的方法将计算结果在计算机上呈现出来便于观察分析流动状态。为了完成CFD计算，过去多是用户自己编写计

13、算程序，但由于CFD的复杂性及计算机软硬件条件的多样性，使得用户各自的应用程序往往缺乏通用性，而CFD本身乂有其鲜明的系统性和规律性，因此，比较适合于被制成通用的商用软件。自1981年以来，出现了如PHOENICSz CFX, STAR-CD, FIDIP, FLUENT等多个商用CFD软件。其中FLUENT是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的CFD软件之一。FLUENT软件由美国FLUENT Inc.于1983年推出，是继PHOENICS软件之后的第二投放市场的基于有限容积法的软件，公司并于1998年推出了自己研制的新的前处理网格生成软件GAMBITo本文采用的FLUENT6.0软件是FLUENT公司于2001年推出的产品，是专用的CFD软件。FLUENT是一个功能比较强大的计算机软件，该软件采用可选择多种求解的方法，从压力修正的SIMPLE方法到隐式和显式的时间推进方法，并加入了当地时间步长、隐式残差光滑、多重网格加速收敛等技术。可供选择的湍流模型从单方程、双方程直到雷诺应力和大涡模型等。用来模拟从不可压缩到中等强度可压缩乃至高度范围可压缩的复杂流场。总之,FLUENT6.0软件包具有强大的功能:适应性很强的网格生