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1、离心泵叶轮设计与流动分析曹树良谭磊桂绍波清华大学北京!∀#,【摘要】针对离心泵叶轮传统一元理论设计方法仅满足流体连续方程的不足提出了一种新的离。心泵叶轮水力设计方法该方法通过求解流体的连续方程和运动方程实现正问题计,,,算利用正问题计算得到的轴面速度分布进行反问题设计正反问题迭代计算直至收敛得。,,./245,78/,2到最终设计叶轮墓于∃%&∋()∗算法通过数值求解+−01平均36一∃9方程和。,,+3:9一湍流模型方程模拟了;种设计方法得到的离心泵叶轮三维湍流流场预估了叶,,轮的水力效率获得了叶轮内部的速度分布和压力分布等流动细节验证了本文提出的水力,。设计方法的优越性并为离心泵叶
2、轮的优化设计打下了墓础【关键词】离<<<心泵设计数值模拟流动分析引言离心泵由于实用范围广包括流量、扬程及对输送介质的适应性#、体积小、结构简单、,在。操作容易等诸多优点各种类型的泵中所占数量最多每年的耗电量占总发电量的=以上,是,耗能大户因此改进离心泵的设计方法和设计手段以提高离心泵的性能和效率就显得至关重要。,切“”尤其是在目前能源供需矛盾十分突出的情况下实解决离心泵一高两低能耗高、效率低、扬程低#的关键问题,是实现我国节能减排、可持续发展的战略需要。叶轮叶片的形,状是决定离心泵性能和效率的关键因素工程实际中绝大部分叶轮仍采用以经验系数为主的一元理论设计。该方法假定流动是轴对称的
3、,轴面速度沿过水断面均匀,,。分布转轮中任一点的轴面速度只与过水断面的位置有关仅满足流体的连续方程近,叶片三,。年来元理论设计在离心压缩机中应用已比较广泛但在离心泵中还很少见随着,建立在三维流场基础上的计算机科学的发展以及对泵内部流动现象的研究泵设计方法已开始进人实用阶段,并成为提高泵。,性能的主要措施因此开展对离心泵叶轮叶片三维设,,。计方法的研究不仅具有重要的理论意义而且具有十分广阔的工程应用前景本文针对离,、心泵一元理论设计方法的不足提出了一种新的正反问题迭代设计方法。该方法以传统一元理论设计得到的叶轮为基础,基于流体的连续方程和运动方程,通,,过;实现离心泵内部的准三维正问题计算得
4、到轴面速度分布<类相对流面的迭代计算基,,于准三维流动计算得到的轴面流场应用逐点积分法进行叶片绘型在轴面上加厚叶>?,,。、片在保角变换平面上修圆叶片头部实现了离心泵叶轮的反问题设计将上述正反问,。,题计算进行迭代求解直至收敛得到最终设计的叶轮基于∃%&∋()∗算法数值求解了一元理论设计叶轮、正反问题迭代法设计叶轮的三维定常湍流流场,预估了叶轮的水力效,,、率获得了叶轮的速度分布和压力分布等内部流动细节验证了本文提出的正反问题迭,。代设计法的优越性并为叶轮的优化设计打下了基础;离心泵的水力设计;≅离心泵的水力设计方法,,传统的叶轮一元理论设计方法求解轴面速度时仅满足流体的连续方程采用流
5、线迭,即代法沿准正交线求解轴面速度梯度方程00≅Χ≅≅Χ1∗ΑΒ厂14刁4Δ26.40刁%.必Δ门一下Ε一七Α,丁,2∃0.1】一ΕΕ二一二<‘.10#一Φ0一叹下一0十ΦΦ20口万(Δ∀了18Γ∗Η∃1Δ—71乙ΓΙΑ<ϑ<40<式中∗为轴面速度为准正交线长度为轴面流线与铅垂线的夹角Κ为轴面流线,。<占为准正交线的法线与流线之间的夹角<ϑ必为排挤系数长度为半径本文提出的叶轮正、反问题迭代法求解轴面速度时,同时满足流体的连续方程和运动,,方程通过;类相对流面的迭代计算求解联立方程组即ΛΜΝΟΠ7。Θ又5、#ϑΡ5ϑ;#Φ一7。式中)为单位质量液体的相对运动机械能,,,得到轴面速
6、度分布后应用逐点积分法进行叶片绘型在轴面上加厚叶片在保角变。。换平面上修圆叶片头部进行反问题设计;种方法的设计流程见图和图;轴面速度分布轴面流道形状叶片绘型轴面流道形状基设计于传初统始方叶片法叶片加厚、修圆基于传统方法计算轴面速度∃,流面形成叶片绘型计算木模图叶片加厚、修圆∃ϑ流面求解叶轮三维造型计算木模图、图一元理论设计法流程图图;正反问题迭代设计法流程图>Σ;≅;设计结果。离心泵的主要设计参数见表表离心泵的主要设计参数表符号取值意义及说明符号取值意义及说明ΦΥΩΚ‘ΑΑ,ΣΤΑΓς#;?流量叶轮直径Φ“;‘ΑΑ,0叶轮出口宽度ΞΑ#>扬程司0.7Γ.#∀?转速Κ>
7、叶Α6片数Φ;种方法设Υ和图。应用上述计得到的叶轮三维造型见图∀图Υ一元理论设计法叶轮图∀正、反问题迭代设计法叶轮。,离心泵叶轮计算域见图?采用非结构化四面体网格对计算域进行网格划分为了提,,高模拟精度对叶片等重要区域进行了局部网格加密整个计算区域的网格数为Ψ>ΥΥΥ,。个划分完成后叶轮区域的网格分布见图Σ图?离心泵叶轮的计算域图Σ离心泵叶轮的网格划分Υ数值模拟的控制方程及其算法在离,、心泵叶轮的三维湍流流场的数值模拟中
