长短叶片离心泵三维湍流数值模拟和PIV测试的研究.pdf

潘光星:长短叶片离心泵三维湍流数值模拟与PIV测试研究摘要低比转数离心泵在石油化工、航空航天等领域有广泛的应用,其特点是扬程高、流量小。按传统设计方法,低比转速离心泵常会出现效率低、扬程一流量曲线易出现驼峰、大流量易过载等问题。长短叶片是解决上述问题有效途径之一。本文采用数值计算与PIV相结合的研究方法,对分流短叶片的不同偏置位置、设计工况与非设计工况等情况下的离心泵内部真实流动特性进行了较为深入的研究,初步分析得出长短叶片离心泵叶轮内的三维湍流流动规律。研究的具体内容包括: l、为研究分流短叶片偏置对离心泵叶轮内部流场的影响,采用加大流量与速度系数相结合的方法设计了3副长短叶片离心泵叶轮。3副叶轮的长叶片骨线线型为单圆弧圆柱型,每副叶轮的长叶片型线相同。短叶片与长叶片间隔布置,其骨线线型为单圆弧圆柱型,每只短叶片进口均位于同一圆周上,且出口角与长叶片出口角相等。在偏置上,短叶片均适当向长叶片的吸力面偏置,短叶片进口偏置角和短叶片出口偏置角分别取0。、5。和10。三种水平组合。 2、采用Pro/E对矩形蜗壳进行三维造型;利用AutoCAD与Gambit相结合的方法对长短离心叶轮进行三维实体造型;基于结构化网格对蜗壳与叶轮分别进行剖分。3、基于整机数值模拟,对3副长短叶片的离心泵进行了三维湍流数值模拟研究。计算中,首先将笛卡尔坐标系下的N—S方程转化为任意曲线坐标系下的控制方程,并进行有限体积离散;采用了标准的七一占湍流模型进行方程封闭;近壁面湍流处理采用了标准壁面函数法;应用S工MPLEC算法,建立压力和速度迭代校正方程使动量方程和连续性方程耦合;采用了多重参考坐标系处理旋转叶轮与蜗壳动静耦合交界面。湍流数值计算得出了分流短叶片的不同偏置位置、设计工况与非设计工况下离心泵叶轮内的压力分布、速度分布,并预测了泵的外特性参数。对比分析了3副长短叶片叶轮的速度场和压力场的特征,初步得出了长短叶片离心泵叶轮内湍流的速度和压力分布规律,提出了短叶片合理偏置方案。 4、应用现代激光测试技术(粒子图像速度仪2D—P工V)对3副长短叶片离心泵叶轮的一个叶槽在设计工况、大流量和小流量工况下的内流场进行测量研究,测得粒子散点图,分析得到了叶轮内相对速度矢量图以及出口处相对速度、切向速度和径向速度在出口处沿弧长的变化规律。对比分析了数值模拟结果和P工V测试结果表明,计算和实验结果总体趋势基本吻合,但数值上仍存在一定的偏离,文中分析了实验与计算结果存在差别的原因。关键词:长短叶片,离心泵,数值计算,PIV测试扬州大学硕士学位论文 Abstract The lowSpecific Speed centrifhgalpump thatcharacteristjcsishigh water-head a11d littledischa唱e,is widely applied inregions ofthepetrochemical Engineering andthe aerospace isdesigned according to atraditionmethod,its e衔ciency willbelowaIldeasy tobehump forthehead curve and over long a11dshortblades is arIe虢ctiVeway ofthenumerical simulation aIld PIV are adopted tostudy imemal flowpattem oftheecentrifugalp啪ps withsplitting Vanes under thef01lowing conditions:with position of splitting Vanes,at operating andnon—operating pointsetc.,t11e 3-D turbulent now la、vS of centrifugal pumps with long and short blades are analyzed and obtained prelimin撕ly. The main、vork aIldachievements are asfollows: 1、Inorder tostudy theinfluence ofthedenected position ofshortsplitters on now field,3pairs ofcentrifugalpunlp impeUers withlong andshon blades a