导叶式混流泵内部空化流动的数值模拟与试验研究

论文摘要

空化现象的发生,不仅会导致混流泵叶轮内部流场特性发生改变,造成水力性能恶化,空泡破裂过程还会侵蚀过流部件,破坏流道,在某些特定情况下,甚至有可能诱发共振,带来灾难性的后果。该现象已成为目前实际工程中严重威胁混流泵机组安全、高效、稳定运行的一个重要因素,也是影响混流泵设计和应用的最主要难题和技术瓶颈。本文选取一台比转速为300的导叶式混流泵,采用数值模拟结合试验验证的手段来研究混流泵的空化特性。主要研究内容如下:1.简述了混流泵的结构和特点,阐明了研究其内部空化特性的目的和意义,总结了混流泵的设计与性能、空化机理,以及空化数值模拟等方面的国内外研究现状。2.采用CFX软件对混流泵内部流动进行了定常数值模拟,并对其进行了水力性能测试,同时将其数值计算结果与其试验结果进行对比,得到的主要结论有:模型混流泵水力性能的数值计算曲线与其相应的试验曲线在各试验工况下吻合较好,误差均在工程允许的范围内,且在最优工况点1.28Qd处的扬程偏差为4.35%,效率偏差为2.78%,说明标准k-ε湍流模型能相对准确地预测该混流泵的水力性能。3.针对混流泵内部空化流动进行了定常数值模拟,并将获得的数值计算结果与空化性能测试结果进行对比,得到的主要结论有:各工况下数值预测的混流泵的空化性能曲线与其相应试验值变化趋势相同,且混流泵效率发生1%下降时对应的空化系数值均随着流量的增大而呈现出先减小后增大的变化规律,尤其在混流泵效率下降1%前两曲线较吻合;然而随着空化系数继续降低,泵内部空化不断发生发展,两曲线存在较明显的误差,且误差值随着流量的增大而增大;各流量工况下临界空化系数的预测值与其试验值的绝对误差为0.030.06之间,说明本文所采用的空化流动数值模拟方法在一定程度上可有效地预测混流泵内出现空化流动时所产生的效率陡降现象。4.基于混流泵的定常空化数值模拟结果,对不同空化工况下叶轮流道内空泡分布进行对比,得到的主要结论有:空泡在各个叶片流道内呈对称分布。混流泵内空化初生时,仅叶片背面前缘产生了厚度较薄的空泡,不会对流道造成堵塞影响;随着空化系数的逐步降低,叶轮流道内的空泡体积逐渐增大,并沿着叶片背面朝着出口方向延伸,且逐渐向相邻叶片的工作面扩展;仅在在空化系数非常小的时候,才能在叶片的工作面进口边前缘观察到很小面积范围的空泡,且空泡体积分数很低。5.在混流泵定常空化计算基础上,选取四个不同空化工况点进行了空化流动的非定常数值计算,并且在叶轮进出口截面不同半径处设置了压力脉动监测点,研究了模型泵叶轮内部空化随时间的变化规律,和不同空化程度下的压力脉动特性,得到的主要结论有:空化发展程度较高时,叶轮内的空泡体积分数以及空化云团的位置和形状变化很小,空泡的析出、溃灭过程较为规律,流场特性在整个运行周期内的变化不大。各工况下叶轮进出口各监测点的压力脉动时域曲线均呈现规律性的波动;叶轮进口轮毂附近监测点的压力脉动的主频为转频fn,而轮缘附近的主频为叶频fBPF;叶轮出口主频均为叶频fBPF或2fBPF。叶轮进口处各监测点压力脉动主频幅值随空化系数的减小均呈现先迅速升高后持续降低的变化趋势,且在初空化时达到最大值。

论文目录

摘要

abstract

第一章绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 混流泵的结构和特点

1.3 国内外研究现状

1.3.1 混流泵设计与性能

1.3.2 空化理论

1.3.3 混流泵内部空化流动研究

1.4 本文研究的主要内容

第二章计算流体力学概述

2.1 控制方程

2.2 湍流模型

2.2.1 零方程模型

2.2.2 一方程模型

2.2.3 两方程模型

2.3 空化模型

2.3.1 Singhal空化模型

2.3.2 Schnerr-Sauer空化模型

2.3.3 Kunz空化模型

2.3.4 Zwart-Gerber-Belamri空化模型

2.4 本章小结

第三章混流泵数值模拟方法与性能试验研究

3.1 计算模型及网格划分

3.1.1 混流泵水力模型

3.1.2 混流泵三维模型及网格划分

3.2 数值计算方法

3.2.1 边界条件设定

3.2.2 网格无关性分析

3.3 试验台系统

3.3.1 试验装置及试验系统

3.3.2 试验测量仪器

3.4 效率测量不确定度分析

3.4.1 随机不确定度

3.4.2 系统不确定度

3.4.3 效率试验综合不确定

3.5 试验结果分析

3.5.1 外特性的对比

3.5.2 空化特性的对比

3.6 本章小结

第四章混流泵内部空化流动的定常数值模拟研究

4.1 混流泵非空化状态下的流动情况

4.1.1 全流道流态分析

4.1.2 叶轮内部的静压分布

4.2 混流泵内部空化特性分析

4.2.1 叶轮流道内静压分布

4.2.2 叶轮流道内空泡分布

4.2.3 叶片背面空泡分布

4.2.4 不同叶高处空泡体积分数分布

4.2.5 叶轮内空泡等值面分布

4.3 空化对泵内流动和做功的影响

4.3.1 速度流线分布

4.3.2 湍动能分布

4.3.3 叶片载荷分布

4.4 本章小结

第五章混流泵内空化流动的非定常数值模拟研究

5.1 非定常数值计算方法

5.2 叶轮内部空化发展过程

5.3 叶轮进口压力脉动分析

5.3.1 叶轮进口压力脉动时域分析

5.3.2 叶轮进口压力脉动频域分析

5.4 叶轮出口压力脉动分析

5.4.1 叶轮出口压力脉动时域分析

5.4.2 叶轮出口压力脉动频域分析

5.5 本章小结

第六章总结与展望

6.1 研究总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 范猛

导师: 袁建平,付燕霞,李彦军

关键词: 混流泵,数值模拟,试验,空化,空化系数,压力脉动

来源: 江苏大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 江苏大学

基金: 国家重点研发计划课题“叶片泵多目标水利设计方法及气液两相增压输送关键技术”(编号:2018YFB060610),国家自然科学基金“离心泵不稳定叶片空化的动态特性及机理的研究”(编号:51609107),江苏省自然科学基金“离心泵内部低频空化脉动的诱导机理研究”(编号:BK20160539)

分类号: TV136.2

总页数: 94

文件大小: 7016K

下载量: 123

导叶式混流泵内部空化流动的数值模拟与试验研究

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢