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1、典型流体机械的数字化开发技术研究,指导老师：学生：,Company Logo,内容,Company Logo,1.离心泵,离心泵是一种应用及其广泛的通用机械，第一台离心泵是公元前5世纪葡萄牙人在圣多明格铜矿中所用的排水离心泵。随着离心泵的设计理论进一步发展完善和设计技术手段的上的不断提高，离心泵的功率从几瓦到数十万千瓦，转速高达每分钟数万转，单级扬程可达数千米，流量可达每秒数千立方米。泵是将原动机的机械能或其它能源的能量传递给泵所输送的液体，使液体的能量(压能，位能和动能)增加的机械。,Company Logo,现有离心泵的结构类型：,Company Logo,离心泵的研究主要围绕如何设计合理
2、的结构和选择适当的材料以及如何提高水力性能这三个方面。离心泵水力设计的主要任务就是根据给定的设计参数(流量、扬程、转速、汽蚀余量和效率等)，经过多种方案的优化选择，使所设计的叶轮和泵体具有最小的水力损失和必要的汽蚀性能，并使泵的外特性符合预先给定的要求。,Company Logo,1.1计算流体力学作用和应用,CFD能够计算分析在各种杂几何形状的空间内外发生的下列工程问题：（1）流体流动；（2）高温传热：（3）气一固、液一固、气一液、液一液等多相流；（4）非牛顿流体流动；（5）多孔介质流；（6）化工反应流；（7）煤粉燃烧，气态燃料燃烧，油雾燃烧，多种燃料混合及多氧化流燃烧；（8）爆炸、爆燃和着
3、火；（9）搅拌反应；（10）环保,Company Logo,1.2 现代离心泵设计概念,现代离心泵的设计具有更高的要求和更广泛的含义，应考虑以下内容：(1)设计预测的泵流量扬程曲线应与将来实测曲线相一致(2)在所给定的运行条件下，泵应具有良好的水力性能(3)在一定的工作范围内，泵应具有效率高、运行范围广和良好的汽蚀性能(4)低比速泵应具有优良的功率特性，使原动机上致于因过载而损坏(5)泵在工作时应具有振动小，噪声低，可靠性高等优点,Company Logo,(6)泵的结构和材料应能适合所抽送的介质的性质(7)应能用最经济的工艺措施制造出所设计的泵(8)泵应具有符合人们审美要求的外观质量(9)泵
4、的结构要符合流体运动规律，并保证人们操作安全、方便(10)设计计算过程全盘计算机化,Company Logo,1.3本文的研究内容,随着数值模拟技术和计算机技术的快速发展，大型CFD软件在计算旋转机械流场方面专业性上断增强，越来越多的学者开始使用这类软件计算离心泵内部流动。本文采用现代设计理论，利用大型CAD软件CAT工A以及商用CFD软件FLUENT，以宇琦泵业有限公司所提供的型号为ZA40-250的离心泵为研究模型，对其进行整机流场数值模拟计算，观察其内部流动特性，预测其工作性能，并对其进行试验曲线与计算性能曲线的对比研究，为进一步的优化和改进提出方向和可行性。,Company Logo,
5、2.建模及数值模拟方案,2.1 离心泵模型参数 以单级单吸IS50-32-125型离心泵为范例进行数值模拟。该模型叶片数为6片。其他详细设计参数参见表3-1。,Company Logo,3.2流道模型建模,在进行离心泵内部流场数值计算之前，首先要做的工作就是要建立离心泵流体流动的计算模型，其过流部件包括：进水管、叶轮、蜗壳、出水管。由于离心泵流体流动模型较为复杂，本文利用具有强大三维设计功能的建模软件Pro/ENGINEER来分别建立其过流部件的流道模型，进而通过其装配功能建立离心泵整机流道模型。Pro/ENGINEER软件是一个大型软件包，由多个功能模块组成：草绘模块、零件模块、零件装配模块
6、以及曲面模块等，每一个模块都有自己独立的功能。,Company Logo,3.2.1叶轮流道建模,图1.叶轮草绘示意图,图2.叶轮流道模型,Company Logo,3.2.2蜗壳流道建模,蜗壳是离心泵叶轮出口至出口法兰的重要过流部件，它的形状参数决定流体能量损失的大小，直接影响离心泵的工作性能。本文中，整个蜗壳由螺旋线和扩散管两部分组成。螺旋线部分截面形状为梯形，在螺旋线部分共设计了八个截面，每个截面之间的夹角均为45，隔舌位置与纵轴的横向距离为23mm。,Company Logo,最终建立的蜗壳流道不同方向的三维模型,图3.蜗壳流动模型,Company Logo,3.2.3整机装配模型,装
7、配功能是Pro/ENGINEER的基本功能之一，装配文件的首要功能是描述所建立模型之间的配合关系、位置关系，以便确定所建立的模型形状以及尺寸的正确性。装配时需让进水管、叶轮以及蜗壳的螺旋线部分三条中心轴保持重合，出水管的中心轴和蜗壳扩散段出口的中心线重合，装配好的离心泵整机流动模型如下图：,Company Logo,图5.离心泵整机流道模型图,Company Logo,3.3 网格划分,在GAMBIT中对几何模型划分网格，网格化分采用分块划分网格的方法，分成进水管、叶轮、蜗壳和出水管四块分别划分网格。其中进水管和出水管采用结构化六面体网格划分；对于计算区域空间复杂的叶轮，采用适应性很强的非结构
8、化四面体网格划分；对于蜗壳，则采用混合网格划分。离心泵整机流动模型的网格划分为：,Company Logo,3.4数值模拟方案的确定,在本文中，流体运动的控制方程选用雷诺时均方程RANS，湍流模型选取标准的k-模型，为了保证计算结果的精度，对流项、湍动能和湍动能耗散率项采用二阶迎风格式；压强项采用标准格式。压力与速度耦合采用SIMPLE算法，求解时压强、密度、动量、湍动能、湍动能耗散率、湍流粘性系数的松弛因子分别取为0.3、1、0.7、0.8、0.8、1。对速度项、湍动能和湍流耗散率均采用三阶收敛精度。,Company Logo,下图分别表示不同叶片数离心泵在设计工况下的模拟计算残差曲线，可以
9、看出收敛趋势是很好的，迭代计算时均在450600步之间收敛，此时各方程的收敛残差基本上都处于10-6以内。,Company Logo,Company Logo,Company Logo,4.离心泵的特性曲线预测,离心泵的特性曲线主要由表示扬程、效率、功率和必需的汽蚀余量等各项性能参数与流量之间的关系的曲线，称为泵的性能曲线，其主要包括扬程H-流量Q、效率-流量Q、功率P-流量Q与汽蚀余量NPSH c-流量Q四条曲线。由于汽蚀的数值模拟比较复杂，本文暂不对此做研究，仅对H-Q、-Q和P-Q三条性能曲线进行预测。,Company Logo,4.1计算结果,Company Logo,Company
10、Logo,4.2离心泵性能试验验证,根据郑州大学化工与能源学院离心泵开式性能测试对IS 50-32-125型离心泵进行测试，其测试记录数据如表5-1，经计算后得出最终结果见表5-2。其性能曲线图见图5-3：,Company Logo,Company Logo,测试结果,Company Logo,离心泵各工况下性能曲线图,Company Logo,离心泵计算特性曲线与试验值的对比,Company Logo,5.总结与展望,通过对比发现：各计算特性曲线随着流量的变化趋势与试验的结果基本一致。但扬程预测值相互之间偏差较大，扬程预测值在设计工况附近预测值与试验值较为接近，但在小流量和大流量工况下与试验
11、值相差较大；轴功率预测值均比试验值偏小；效率预测曲线与实验曲线基本吻合，其中在小流量工况下，效率预测值比试验值整体偏高些，在大流量工况下比试验值整体偏低些，在设计工况附近，效率预测值与试验值非常接近,Company Logo,本文通过对离心泵内流场的数值计算，初步证明了这种数值模拟方法的可靠性，但由于时间及条件的限制，还有很多地方做的不够，需要进行更深入的研究。,Company Logo,谢谢大家,MajpjMVcyzj21HLfrvy96dv02lPPfYgxUS7IYmZkyEmZ0kGeYZS3bpLCkYH1lt4EK7CxmUX3ijoYSOer7ZuaVWYgz4EpZrUirVp
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