离心泵关死点性能的研究

论文摘要

随着社会经济的飞速发展,现代很多离心泵的设计都对关死点性能提出了越来越明确的要求,比如核电用泵、舰船用泵和可再生能源泵等。由于传统离心泵设计对于关死点性能一般不予考虑,导致目前有关离心泵关死点性能的研究相当缺乏。因此,迫切需要开展离心泵关死点性能的研究以丰富和发展现代离心泵设计理论和方法。本文在国家自然科学基金（51079062、51109095）的资助下,采用理论分析、数值计算与试验测试相结合的方法对离心泵关死点的特性进行了较为系统的研究,主要工作和创造性成果有：1.较为系统地总结了离心泵关死点性能、内流模拟、PIV测试、流固耦合计算、流动诱导振动以及性能预测的研究现状及其发展趋势。2.首次试验研究了离心泵叶轮叶片出口角、叶片出口宽度、叶片数、叶片包角和叶片进口冲角等叶轮主要几何参数对离心泵关死点扬程和关死点功率的影响规律,并根据各参数引起的关死点扬程及关死点功率的变化范围对各参数的影响大小进行了排序。各参数对关死点扬程影响从大到小的顺序依次为：叶片包角、叶片出口宽度、叶片数、叶片进口冲角和叶片出口角。各参数对关死点功率影响从大到小的顺序依次为：叶片出口宽度、叶片包角、叶片数、叶片出口角和叶片进口冲角。3.在总结研究离心泵关死点扬程计算方法的基础上,以34台离心泵关死点扬程的试验数据为依据,采用一元非线性回归分析方法对7种常用的离心泵关死点扬程计算方法进行了修正。实例计算表明修正后各公式的计算精度得到了明显提高。4.首次基于BP人工神经网络建立了离心泵关死点功率的预测模型,并给出了网络的输入模式和拓扑结构。采用46组不同比转数离心泵结构参数和关死点性能参数对网络模型进行了训练,采用另外3组不同比转数的离心泵模型对网络进行了检验,检验结果表明网络平均预测偏差为4%,具有比较高的工程应用价值。5.建立了离心泵关死点内流数值模拟方法,并对3台不同比转数的离心泵在关死点工况下的内部流动进行了全流场数值计算,基于数值模拟结果预测了各模型泵关死点扬程以及各模型泵过流部件内的流动结构与压力脉动规律。研究结果表明：（1）各模型关死点扬程预测值与试验值偏差均在5%以内,这说明提出的数值模拟方法是基本正确的；（2）叶轮内不稳定流动对进口管路内流的影响距离约为管径的10倍；叶频对进口管路压力脉动基本没有影响,轴频对进口管路内压力脉动有影响但比较小；（3）在关死工况下,随着比转数的增加叶轮出口处的漩涡面积比例有逐渐减小的趋势,而叶轮进口的漩涡面积比例有逐渐增大的趋势,同时叶轮出口的“射流-尾迹”现象也越来越明显；轴频对叶轮进口压力脉动影响较大,叶轮出口的压力脉动则受叶频的影响较大；蜗壳内各点的压力脉动最大幅值都是出现在叶频处,这说明动静干涉对蜗壳内的压力脉动有着较大的影响；（4）出口管路内各点压力脉动曲线基本一致,各曲线波峰波谷数与各模型叶片数相等,同时其最大幅值均出现在叶频处。6.对一比转数为65的离心泵关死点内部流动进行了PIV测试,并将内流测试结果与数值模拟结果进行了详细对比。对比结果表明除叶轮进口附近流场外,PIV试验测得的内流场与数值模拟计算得到的内流场都较为一致；叶轮进口流场的差异很有可能是PIV示踪粒子沉降而导致的。7.对一比转数为46.2的离心泵关死点工况下的结构场和内流场进行了流固耦合数值计算,对比了流固耦合前后关死点扬程预测精度和泵内流场分布的差异,并详细分析了叶轮的结构变形。研究结果表明：（1）考虑流固耦合作用后关死点扬程的预测精度有所提高；（2）考虑流固耦合作用后叶轮内各监测点的压力脉动现象呈现出明显的周期性且脉动幅度也明显增大；（3）叶轮盖板上越靠近隔舌的区域,其位移变形和等效应力越大；各叶片的位移变形从进口到出口逐渐增大,但各叶片的等效应力最大值并不在叶片出口边。8.采用加速度传感器对一比转数为65的离心泵关死工况下的流动诱导振动进行了测试,并对试验结果进行了详细分析。试验结果表明：（1）轴向振动加速度脉动呈现一定的弱周期性规律,径向振动加速度脉动没有任何周期性；（2）蜗壳隔舌处的振动加速度脉动幅值最大；（3）各测点的最大振动加速度均出现在1400Hz附近,大约是叶片通过频率的10倍；（4）蜗壳5断面处的轴向振动程度是最为剧烈的,而7断面处的径向振动程度是最弱的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 离心泵关死点外特性的研究现状
• 1.3 离心泵内流数值模拟的研究现状
• 1.3.1 大涡模拟
• 1.3.2 RANS模拟
• 1.3.3 离心泵关死点内流的数值模拟
• 1.4 离心泵内流测试的研究现状
• 1.5 离心泵流固耦合的研究现状
• 1.6 离心泵流体诱导振动的研究现状
• 1.7 神经网络在离心泵性能预测中的应用
• 1.8 本文的研究工作
• 第二章 叶轮主要参数对离心泵关死点性能的影响
• 2.1 试验模型及试验装置
• 2.1.1 试验模型
• 2.1.2 试验装置
• 2.2 叶片出口角对离心泵关死点性能的影响
• 2.2.1 叶片出口角变化方案
• 2.2.2 不同叶片出口角的试验结果
• 2.3 叶片出口宽度对离心泵关死点性能的影响
• 2.3.1 叶片出口宽度变化方案
• 2.3.2 不同叶片出口宽度的试验结果
• 2.4 叶片数对离心泵关死点性能的影响
• 2.4.1 叶片数的变化方案
• 2.4.2 不同叶片数的实验结果
• 2.5 叶片包角对离心泵关死点性能的影响
• 2.5.1 叶片包角变化方案
• 2.5.2 不同叶片包角的试验结果
• 2.6 叶片进口冲角对离心泵关死点性能的影响
• 2.6.1 叶片进口冲角变化方案
• 2.6.2 不同叶片进口冲角的试验结果
• 2.7 各参数对关死点性能影响的总体分析
• 2.7.1 各参数影响大小的排序
• 2.7.2 各参数影响的综合分析
• 2.8 本章小结
• 第三章 离心泵关死点性能的求解
• 3.1 离心泵关死点扬程的计算及修正
• 3.1.1 离心泵关死点扬程计算的主要方法
• 3.1.2 离心泵关死点扬程计算公式精度分析
• 3.1.3 离心泵关死点扬程计算公式的修正
• 3.1.4 关死点扬程修正公式的验证
• 3.2 基于BP网络的离心泵关死点功率预测
• 3.2.1 BP神经网络
• 3.2.2 网络拓扑的结构
• 3.2.3 训练样本及其归一化
• 3.2.4 预测模型的建立和训练
• 3.2.5 网络的检验
• 3.2.6 网络权值和闽值
• 3.2.7 预测结果的回归分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 离心泵关死点内部流动的数值模拟
• 4.1 控制方程
• 4.1.1 连续性方程
• 4.1.2 动量方程
• 4.1.3 URANS方程
• 4.2 湍流模型
• 4.2.1 标准k-ε湍流模型
• 4.2.2 RNG k-ε湍流模型
• 4.2.3 k-ω模型
• 4.2.4 SST k-ω模型
• 4.3 边界条件
• 4.3.1 进口边界条件
• 4.3.2 出口边界条件
• 4.3.3 固壁边界条件
• 4.4 计算区域和控制方程的离散
• 4.4.1 计算区域的离散
• 4.4.2 控制方程的离散和求解
• 4.5 研究模型与网格生成
• 4.5.1 研究模型
• 4.5.2 三维造型
• 4.5.3 网格生成
• 4.6 数值方案
• 4.7 计算结果与分析
• 4.7.1 关死点扬程预测
• 4.7.2 进口管路的内流分析
• 4.7.3 泵内部流动分析
• 4.7.4 出口管路内流分析
• 4.8 本章小结
• 第五章 离心泵关死点内部流动的PIV测试
• 5.1 PIV测试技术介绍
• 5.1.1 PIV测试原理
• 5.1.2 PIV系统的构成
• 5.1.3 PIV测量的基本准则
• 5.2 试验离心泵关死点内流PIV测试
• 5.2.1 试验台
• 5.2.2 PIV设备型号
• 5.2.3 试验模型与方案
• 5.2.4 PIV试验结果分析
• 5.3 试验离心泵关死点内流数值计算
• 5.3.1 数值计算方案
• 5.3.2 数值模拟结果分析
• 5.4 PIV结果与CFD结果的对比
• 5.4.1 流场对比
• 5.4.2 量化对比
• 5.5 本章小结
• 第六章 离心泵关死点流固耦合数值计算
• 6.1 流体-弹性结构系统控制方程
• 6.1.1 不可压缩粘性流体的有限元方程
• 6.1.2 弹性体动力学有限元方程
• 6.1.3 流固耦合的有限元方程
• 6.2 流固耦合求解过程的建立
• 6.2.1 ANSYS与Workbench简介
• 6.2.2 研究模型与网格划分
• 6.2.3 双向流固耦合计算的实现过程
• 6.3 流固耦合计算结果与分析
• 6.3.1 流固耦合前后关死点扬程预测
• 6.3.2 流固耦合前后叶轮内流分析
• 6.3.3 叶轮结构变形分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 离心泵关死点流动诱导振动测试
• 7.1 离心泵流动诱导振动分类
• 7.2 振动的测量
• 7.3 试验离心泵流动诱导振动测量
• 7.3.1 试验台
• 7.3.2 振动测试设备
• 7.3.3 试验模型与试验力案
• 7.3.4 试验结果与分析
• 7.4 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 研究总结
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读博士学位期间取得的科研成果