离心泵水力模型的设计与数值模拟验证论文.doc

49山东大学ShanDongUniversity离心泵水力模型的设计与数值模拟验证姓名：刘自亮学号：201300160104学院：机械工程学院专业：过程装备与控制工程日期：2016,5,15过程流体机械离心泵目录一、离心泵水力模型的设计31、泵的主要设计参数和结构方案的确定31-1设计参数和要求31-2确定泵的总体结构形式和泵的进出口直径31-3泵转速的确定31-4计算比转数ns，确定水力方案41-5估算泵的效率41-6轴功率和原动机功率41-7轴径和轮毂直径的确定52、相似设计法52-1相似设计法的导出52-2相似设计法的步骤62-3相似设计法应注意的问题63、速度系数设计法63-1叶轮进口直径D0的确定73-2叶轮出口直径D2的初步计算73-3叶轮出口宽度b2的计算和选择73-4叶片数的计算和选择83-5介绍确定叶轮尺寸的其它速度系数83-6叶轮外径Ｄ２或叶片出口角β２的精确计算93-7叶片进口安放角的确定10二、离心泵的数值模拟验证111、CFD数值模拟的基本理论111-1计算流体力学简介121-2计算流体力学控制方程131-3湍流模型151-4控制方程的求解方法172、离心泵建模及数值模拟方案192-1离心泵模型参数192-2流道模型建模222-3网格划分242-4旋转叶轮和静止蜗壳的藕合262-5边界条件282-6数值模拟方案的确定293、离心泵内部流场计算结果分析313-1设计工况下离心泵整机流场分析323-2叶轮内部流动分析333-3蜗壳内部流动分析393-4不同叶片数下的离心泵整机流场分析42三、结论47参考文献48一、离心泵水力模型的设计1、泵的主要设计参数和结构方案的确定1-1设计参数和要求流量；扬程；转速（或由设计者确定）；装置汽蚀余量（或给出装置的使用条件）；效率（要求保证的效率）；介质的性质（温度、重度、含杂质情况、腐蚀性等）；对特性曲线的要求（平坦、陡降、是否允许有驼峰等）。1-2确定泵的总体结构形式和泵的进出口直径泵进口直径选取原则：泵出口直径选取原则：1-3泵转速的确定确定泵转速应考虑下面几个因素：泵转速越高，泵的体积越小；确定转速应考虑原动机的种类和传动装置；提高转速受汽蚀条件的限制。可根据汽蚀比转数选取1-4计算比转数ns，确定水力方案在确定比转数时应考虑下列因素：ns=120~210的区间，泵的效率最高，ns〈60的效率显著下降；可以采用单吸或双吸的结构形式来改变比转数的大小；泵特性曲线的形状与比转数的大小有关。1-5估算泵的效率水力效率容积效率该容积效率为只考虑叶轮前密封环的泄漏，对于有平衡孔、级间泄漏和平衡盘泄漏的情况，容积效率还要相应降低机械效率泵的总效率1-6轴功率和原动机功率轴功率原动机功率1-7轴径和轮毂直径的确定泵轴直径的确定应按强度、刚度和临界转速等情况确定。由于扭矩是泵主要的载荷，开始设计时首先按扭矩来确定泵轴的最小直径，最小直径一般位于联轴节处。根据轴各段的结构工艺要求，确定叶轮处的轴径dB和轮毂直径dh。一般2、相似设计法2-1相似设计法的导出如果两台泵相似，比转速必然相等，在相似工况下，两台泵的流量、扬程和功率应满足公式：两台相似泵的尺寸比例可以从上式求得：在实际计算时，λQ和λH往往并不相等，在两者差值不大时，一般取较大的值。2-2相似设计法的步骤根据给定的参数，计算比转数ns；根据ns选择模型泵；根据已选定的模型和给定的参数，计算放大或缩小系数λ；根据λ确定过流部件的尺寸；根据模型泵性能曲线换算出是型泵性能曲线的数据；绘制实型泵图纸实型泵过流部件所有角度与模型相等，所有尺寸按计算出的λ值放大或缩小。但应考虑到制造的可能性和结构的合理性（如叶片和导叶厚度不能太厚或太薄）可作适当的修改。2-3相似设计法应注意的问题关于性能和效率问题；关于结构形式的影响；关于修改模型问题；汽蚀相似问题。3、速度系数设计法比转数相等的泵的速度系数是相等的。不同的比转速就有不同的速度系数。我们以现有性能比较好的产品为基础，统计出离心泵的速度系数曲线，设计时按ｎＳ选取速度系数，作为计算叶轮尺寸的依据，这样的设计方法就叫做速度系数设计法。叶轮主要几何参数有：叶轮进口直径D0；叶片进口直径D1；叶轮轮毂直径dh；叶片进口角β1；叶轮出口直径D2；叶轮出口宽度b2；叶片出口角β2；叶片数z；叶片包角φ。3-1叶轮进口直径D0的确定因为有的叶轮有轮毂，有的叶轮没有轮毂，为了研究问题方便，引入当量直径De以排除轮毂的影响。对于双吸泵取Q/2主要考虑泵的效率时K0=3.5~4.0兼顾效率和汽蚀时K0=4.0~5.0主要考虑汽蚀时K0=5.0~5.53-2叶轮出口直径D2的初步计算叶轮外径D2和叶片出口β2等出口几何参数，是影响泵杨程的最重要的因素。3-3叶轮出口宽度b2的计算和选择式中3-4叶片数的计