长短叶片离心泵三维湍流数值模拟与piv测试分析

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1、潘光星：长短叶片离心泵三维湍流数值模拟与PIV测试研究三第1章绪论1．1课题研究背景和意义低比转数离心泵在石油化工、轻工、城市煤气输送、航空航天等领域应用广泛。低比转数离心泵流量小、扬程高。由叶片泵欧拉方程知，提高泵扬程可通过增大叶轮直径和叶片出口角、提高转速及增加叶片数等措施实现。但这些措施在增加泵扬程的同时却又带来新的问题，叶轮直径D2增大，泵的圆盘损失亦增大，因圆盘损失与叶轮直径的5次方成正比，且占总损失功率20％～60％；增大叶片出口角磊，相应的叶片包角减小、叶片变短、叶槽狭长、平面扩散严重；过高的转速，叶轮内液体质点所受离心力和科里奥力增大，叶片进口易产生二次回流、叶片出口

2、吸力面与压力面速度梯度过大，易产生射流一尾迹等；而过多的叶片数z则会增加叶片进口的排挤。因此，按传统设计方法，低比转速离心泵外特性常呈现效率偏低、扬程流量曲线易出现驼峰、小流量工况易产生不稳定、功率流量曲线随流量增大上升急剧、在大流量区电机易过载等问题。为了改善低比转数离心泵性能，国内学者从上世纪70年代开始就进行了试验研究，已研制出一批水力性能较好的低比转数离心泵。概括目前低比转数离心泵的设计理论和方法主要有加大流量设计法、无过载设计法、面积比设计法和长短叶片设计法等。I力Ⅱ大流量设计法是在人们普遍采用加大叶片出口角屐、叶片出口宽度坟、泵体喉部面积E、减少叶轮外径砬以及减少叶片数z

3、等措施提高低比转数离心泵效率的实践基础上发展起来的，通过放大流量(或比转速)设计一台较大的泵，利用大泵的效率曲线在设计点包络小泵的效率曲线而提高效率，但采用加大流量设计法后，扬程流量趋线变得平坦，相同流量下的轴功率增大，泵在大流量易超载，而小流量时，加大流量设计的大泵效率却比普通设计方法设计的小泵低，且大泵作小泵用也不经济。无过载设计方法主要解决的是低比转数泵在大流量区易超载问题，通过减少历、坟、F等参数，设计出具有陡降扬程益线和饱和轴功率特性的离心泵，其不良后果是流道较狭窄，包角较大，不利于铸造，且效率下降。面积比设计的原理是寻求最佳的叶轮与泵体匹配，把叶轮与泵体作为整体考虑，用叶

4、轮特征面积(叶轮叶片间的出口面积)和泵体特征面积(泵体喉部面积)之比y(面积比)来反映叶轮特性与泵体特性的匹配，研究y变化时对泵性能及设计参数影响，设计中依不同设计要求选择不同面积比。综上所述，不难看出上述三种设计方法是研究者分别从效率、无过载、叶轮与泵体匹配等不同研究层匾提出的，有针对性，但也存在较大的局限性。长短复合叶片设计理念则从改善叶轮内部流场和压力场出发，2一扬州大学硕士学位论文通过在长叶片间设置短叶片冲刷尾流，有效防止尾流产生和发展，增大了有限叶片修正系数，从而增加泵扬程或减小叶轮外径，可有效地改善流速分布提高泵性能，是低比转数离心泵很有发展前景的设计方法f】羽。自从人们

5、探索性发现在离心泵出口处添加分流短叶片可提高泵的性能以来，国内外学者开展了分流短叶片设计参数对泵性能影响的单因数、多因数、多因数正交等外特性试验研究，并进行了经验总结。按此理念设计的低比转数离心泵在实际工程中己得到应用，但其设计理论、设计方法目前还很不完善，主要依靠设计者经验，理论上大都局限于势流理论，试验主要是外特性研究。虽然近年来也逐步开展了湍流数值模拟研究，但研究还不系统深入，特别是缺乏内流场测试的比较研究。因此，论文选择长短叶片复合叶轮为研究对象，从其内特性出发，运用现代粒子图像测速技术(PⅣ)和三维紊流数值模拟(CFD)相结合的方法，研究复合叶轮设计参数对内、外特性的影响规

6、律，旨在探求复合叶轮优化设计准则和方法。该研究对高性能低比转数长短叶片离心泵的优化设计，具有重要的理论和应用价值。论文研究得到了江苏省高校自然科学基金项目(低比转速长短叶片离心泵内部流动特性研究06l己虺470126)和江苏省水利动力工程重点实验室开放基金项目(低比转速离心泵复合叶轮内部流场激光测试及数值模拟研究ⅪS02035)资助。1．2长短叶片离心泵的研究现状1．2．1长短叶片离心泵外特性试验研究复合叶轮外特性研究始于上世纪七十年代，前苏联xJlo兀eHKoBrIFD】对原叶轮直径为162毫米，叶片出口角24。的2K—-6型离心泵采用车削叶片至133毫米后再焊接同一断面形状、出口

7、角B2=90。的18片短叶片，设计了两段变曲率大出口角双级复合式叶轮，研究结果表明，泵扬程增加20％。95％，效率在大流量区提高了12~18％，汽蚀、噪音也得到改善，研究还指出如果在具有很长的和平顺扩散的叶道后弯叶轮中，使所有叶片的出口端约在叶片总长的15～35％段上平顺地向前弯曲至够2=80。～135。，同时在叶轮出口处主叶片间再设置短的与主叶片端前弯叶片叶型相同的辅助叶片(其长度等于前弯段长度或大于10~20％)，则设计高效离心泵和提高其扬程的任务就能