对冲压焊接多级离心泵的理论研究及工程实现

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1、万方数据第41卷第2期2005年2月机械工程学报v“41No．2CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGFeb．205冲压焊接多级离心泵的理论研究及工程实现刘元义(山东理工大学教务处淄博255049)蔡保元f上海理工大学动力工程学院上海霍春源(中国机械技术装备有限公司北京刘加利王广业(山东理工大学机械工程学院淄博20000们100000、2550491摘要：提出了把“理想流体”作为参照量，把粘性边界层作为水流动边界条件的粘性水力设计方法。针对冲压焊接多级离心泵吸入口的流态，推导出了粘性条件下的畸变方程式和输运方程

2、式，以此应用于冲压焊接多级离心泵的水力设计，实践应用改善了冲压焊接多级离心泵的性能，提高了运行效率。关键词：冲压焊接多级离心泵理论研究工程实现中图分类号：TH313O前言目前水泵的水力设计大都按“理想流体”方法进行，并且已达到相当完善的程度，除核电主泵外，国民经济各部门使用的离心泵均可自行设计。但是对于输送粘性浆液以及“粘性效应”明显的低比转速冲压焊接多级离心泵，效果并不理想。国家在“八五”、“九五”期间，均组织过科技攻关，形成了一些非粘性设计方法¨到，但未能从根本上解决问题。国外也在这一领域进行探讨与研究，由于数理方程的复杂性，目前离心泵的水力

3、设计大都是在“理想流体”情况下，利用非粘性流动的欧拉方程进行求解。但是按“理想流体”设计的各种离心泵，在“粘性效应”明显的情况下，运行效率降低，有的甚至无法使用。因此，探讨一种离心泵粘性流水力设计方法成为当务之急pJ。在“两相流稀相轻介质”试验研究的基础上，提出了把“理想流体”作为参照量，把粘性边界层作为水流动边界条件的粘性流水力设计方法。针对冲压焊接离心泵内粘性流的特点，建立了泵吸入口的粘性流方程组，求解粘性流过流通道及速度场的畸变值，以此应用于低比转速冲压焊接离心泵的设20040519收到初稿，20041008收到修改稿计，解决了离心泵长期存

4、在的“偏工况”运行问题，提高了泵的运行效率。1理论分析1．1粘性流动与离心泵内的“理想流体”运动水泵设计的理论基础是流体运动的纳维一斯托克斯方程。当考虑粘滞力f的影响时，N—s方程是椭圆方程，其充分必要条件是同时遵守斯特鲁哈定律、欧拉定律、雷诺定律及沸汝德定律。要模拟一种水力现象，必须保持几何相似、运动相似和动力相似。A．A．洛马金【4j甚至从数学上证明，考虑粘性力时四大定律无法同时满足，N—S方程组无法求解。对于离心泵，还要考虑二阶对称张量的湍流附加应力，所以离心泵的水力设计一般不考虑粘性。在不考虑液体粘滞力影响的情况下，忽略雷诺定律，只遵守欧

5、拉定律，N．S方程简化为“理想流体”的欧拉方程，其数学表达式为x一!宅：誓+蚝豢鹄豢地誓卜j素2言+蚝蔷+％苗蝴z蔷p戗优劣。砂化y一去考=鲁+％警+吩等+％誓㈣。p卸乱1融’卸2＆一1劾锄。砒，锄，卜j言2i+％畜+％苗+％乏p包乱3敏3匆‘包万方数据2005年2月刘元义等：冲压焊接多级离心泵的理论研究及工程实现229欧拉方程式(1)与连续性方程共同组成四个方程组求解四个未知数，理论上方程组封闭可以求解，但事实上十分困难，因为二阶非线性偏微分方程组，必须线性化，而且只有在某些特定的条件下才有解，通常简化为平面问题，用拉普拉斯方程求解。离心泵内的

6、水流运动通常处于紊流运动状况，还必须考虑二阶对称张量的湍流附加应力，“理想流体”的四个方程组，就有10个未知数，尚须通过水力模型试验，补充足够的边界条件，借助于计算机手段，通过逐步逼近的方法才能近似求解。这也是离心泵的水力设计大都使用半理论、半经验计算公式的原因。1．2固体边界附近的粘性边界层现象粘性边界层是粘性流体进入流道后，受边界粘性或凹凸的阻滞作用而形成的。当第一个质点流速降到零，影响到第二个质点，使其流速降低，并传递到离边壁较远的质点。从试验看出：这种影响局限在边壁附近一层不厚的液体里，其厚度为万，如图1所示。、—=_紊流边界层＼／少一一

7、1勋二⋯j图1泵流道的粘性边界层示意图边界层的厚度万除与粘性以及雷诺数有关外，还与固体边壁粗糙面的凸出高度有关，如图2所示。高比转速离心泵，通道直径d比较大，其相对粗糙度万肠很小，水流粘性效应不明显，粘滞力可以不考虑。但对于低比转速离心泵，由于流道窄长，过流通道直径d较小，有时只有几毫米，而边界层的厚度万较大，对铸造泵艿为0．3mm，粘性边界层的相对厚度高达10％～20％，这种情况下，粘性边界层严重阻塞流道，造成水流速度场畸变和水流过流通道畸变，所以粘性边界层的影响必须考虑【5山】。图2粘性边界层相对厚度示意图1．3粘性边界层引起的水流运动输送方

8、程考虑粘性边界层时，管道直径相对减小，产生相对堵塞作用，如图3所示。设缩小前的断面为么卅，缩小后的断面为B坷，断面彳卅及断面B坷中心点的