创造学论文

创

造

学

结课论文

班级：机械11--3班

姓名：张敏青

学号：1164103317

泵类流体机械研究进展

1. 1.. 内部流动数值模拟及测试的研

究

随着计算机技术、计算流体动力学

( CFD )和测

试技术的快速发展, 泵内流动数值模拟和测试研

究越来越深入。进行这方面的研究不仅仅是为了得

到泵流道内任意位置的速度、压力等流场特征, 更重

要的是利用这些流动特征进行泵性能预测和优化设

计的研究。

在数值模拟方法上, 大多采用基于Reyno lds时

均的N av ier..Stokes方程(RANS)的k- ..湍流模型及

其修正模型。近年来随着计算机性能的提高, 大涡

模拟在泵内流动数值模拟方面的应用越来越多。如

Byskov成功地采用大涡模拟方法, 分析了6叶片

闭式离心泵叶轮内在设计点和非设计点的流动状

况, 模拟结果与PIV 测试结果吻合得较好。多数

CFD分析的介质是单相的水, 但气液、固液两相流

的分析也越来越多。

目前以全流道的动静部件耦合和非定常三维湍

流的研究为主, 动静部件的界面处理模式上普遍采

用滑移网格技术和动网格技术, 在测试技术上主要

采用粒子图像测速仪( PIV )测试。非定常三维湍流条件下的水泵CFD分析是近几年的研究热点之一,

基于非定常理论的水泵流场压力脉动计算、机组过

渡过程分析、振动分析等已取得进展。用滑移

网格技术分析了导叶式离心泵内, 由于叶轮和导叶的相互干涉所产生的压力脉动现象, 并发现了源项对压力分布和波动具有重要的影响。

CFD /CAD一体化设计分析软件的研究取得进

展。日本荏原公司 ( EBARA)的技术人员开发了

具有叶轮、导叶、蜗壳等模块的专门的泵CFD /CAD

一体化软件, 具有三维实体造型、自动网格生成、CFD

分析和三维反问题设计系统, 系统直接与快速成形制

造系统及由数控机床组成的柔性加工系统相连接。

这套设计系统极大地缩短了泵的开发周期, 并且开发

的泵产品具有效率高、可靠性能好等优点, 但这个软

件系统的各个功能模块还是彼此分离的, 没有融合成

一个系统。国内在这方面的研究同国外先进水平还

有较大的差距, 应集中力量进行研究。

在汽蚀计算方面, 随着多相流模型的

发展与完

善, 汽蚀计算的精度在不断提高。Medvitz 采用两

相RANS方程模型, 研究离心泵汽蚀流动, 分别进行

定常、非定常条件下全工况范围内的汽蚀特性分析,

取得与试验较接近的结果。不同的研究人员分别利

用商用CFD软件和专门开发的数值模拟软件模拟

了离心泵内的汽蚀现象, 并预测了汽泡的初生和发

展。由于汽蚀自身所具有的复杂性, 汽蚀CFD

分析仍然是一个难点, 数值模拟结果与试验结果还

存在着一定的差距, 还有许多问题需要解决。不同

软件、不同条件下得到的结果可能差异较大。

自从1932年采用可视化技术试验研究泵内部

流动以来, 泵内流测试技术有了较大的发展, 目前常

用的内流测速技术有: 热线风速仪、激光多普勒测速

仪和PIV。PIV 测试系统是随着计算机技术在泵类

流体机械研究中的应用发展而成的一种流场测试系

统。它具有全流场快速测试、直观、不干扰流场等优

点, 目前已成为泵内部流场测试的主要方法。第一

个用PIV 测量泵内部流动的是Paone，他测量了

离心泵叶轮S1 流面上的流动, 并研究了无叶扩压器

内尾流的瞬时结构和空间发展。Sinha 用PIV 技

术测试了导叶式离心泵内的流动, 揭示了该泵的流

动特征是非定常的, 并具有明显的射流- 尾迹特征。

总的来说, 由于泵内部流动的极其复杂性, 以及PIV

测试时对光路的特殊要求, 利用PIV 技术等对泵内

部流动进行测试时, 需要对泵的流道结构做一定的

简化或者选取特殊类型的泵, 完全意义上的实泵测

试还有一定的困难和很多难题要解决。

1. 2.. 泵理论及设计方法

1. 2. 1.. 泵设计理论和方法

更深入地研究低比转速离心泵理论和设计方

法, 无过载设计方法逐渐得到推广应用, 长短叶片和

短叶片偏置技术开始广泛采用并取得良好效果。

提出了加大流量设计中流量放大系数k1 和比速放

大系数k2 的推荐值及主要几何参数..2, b2, F t 和Z

等选取范围; 推导了离心泵饱和轴功率性能产生的

条件, 即叶片出口角..2 等于出口绝对液流角....2, 最

大轴功率Pmax及其流量Qmax的预估公式; 提出了无

过载泵设计约束方程组, 总结了主要系数, 如K u,

b2 /D 2, .., .., ..s, ..2 和h0 等图表; 对面积比原理进行

了推导, 得出任何离心泵在理论扬程为u

2

2 /2g 处有

最大轴功率Pm ax, 且有..max = ..h /2。提出无过载离

心泵面积比Y应取1. 0~ 2. 0。

南水北调工程是我国继三峡工程之后的又一重

大跨流域的调水工程, 预计建设期长

达50年, 总投

资5 000亿元。该工程分为东线、中线、西线等三大

工程。为了给这一重点工程提供技术支持和保障,

国内很多研究单位和生产厂家都先后研发了不同性

能参数的轴流泵和混流泵水力模型。为了选取最好

的水力模型用于南水北调工程, 2003 年水利部南水

北调办公室在天津专门新建了一个泵实验台, 用于

南水北调工程用泵的同台试验。将全国的优秀水力

模型集中在一个实验台上进行试验, 第一批就有比

转速从500到1 600的27个水力模型参加测试, 从

中选出的优秀水力模型具有过流量大, 效率高, 抗汽

蚀性能好, 相比国内原有模型提高效率3% 左右, 综

合技术指标具有国际领先水平。

关醒凡提出了扩大轴流泵高效范围的方法,

主要可以从以下几个方面着手: 叶片出口采用变环

量分布规律设计; 采用较大的叶栅稠密度, 即较长的

叶片; 增加轮毂侧的L /T, 以减小轮毂侧和轮缘侧叶

片长度之差; 增加轮缘侧的叶片角, 减小轮毂侧的叶

片角, 即减小叶片的扭曲度; 增加叶片长度, 包括轮

毂侧叶片长度, 对扩大高效范围和提高抗汽蚀性能

有明显效果。但是从大角度向小角度调节叶片时,

进一步增加了叶片与轮毂侧的间隙, 从而使泵效率

进一步降低。曹树良等基于二元理论用流线迭代法求解轴面流动, 用逐点积分法绘制叶形骨线, 在

轴面上加厚得到叶片的三维造型, 该方法较好地实

现了高比转速混流泵叶轮的反问题设计, 具有设计

计算精度高、得到的叶片表面光滑、叶片表面数据齐

全、便于数控机床加工制造等特点。提出并完善了无堵塞泵设计方法, 国内已广泛

使用, 许多产品还出口欧美发达国家。建立并优化

了根据速度系数和流道中线断面变化规律的双流道

叶轮和单流道叶轮设计方法; 提出了用方格网保角

变换方法设计螺旋离心式叶轮; 总结了根据叶轮外

径、蜗室最大外径和喉部面积等三要素设计旋流式

叶轮。

另外, 提出应用极大扬程设计法和进口边扭曲

的反导叶设计法设计深井离心泵, 提出了射流式自

吸喷灌泵的设计理论和方法。

1. 2. 2.. 性能预测方法、优化设计理论及CAD软件

泵性能预测就是根据其流道的几何参数、内部

流场、制造加工水平等预测泵的性能, 它具有缩短产

品研发周期和降低开发设计成本等优点, 一直都是

泵领域十分重要的研究课题之一, 很多专家学者都

对此进行过大量的研究。性能预测的主要方法有水

力损失法、流场分析法和神经网络法。谈明高等

揭示了滑移系数是理论扬程计算结果精度的主要决

定因素之一, 比较分析了斯托道拉、