離心泵葉輪汽蝕數(shù)值模擬及其流固耦合分析.pdf

1、離心泵是一種關(guān)乎國(guó)家經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的重要的通用流體機(jī)械，汽蝕則是制約離心泵性能和發(fā)展的重要因素，不僅是離心泵各種葉輪機(jī)械都會(huì)因?yàn)槠g現(xiàn)象而導(dǎo)致性能下降，造成設(shè)備的振動(dòng)和噪聲，甚至導(dǎo)致機(jī)器的損毀破環(huán)，所以解決汽蝕問(wèn)題十分的重要。在離心泵的工作過(guò)程中會(huì)伴隨著葉輪的局部壓強(qiáng)降低，尤其是葉輪進(jìn)口，當(dāng)壓強(qiáng)降低至飽和蒸汽壓時(shí)就會(huì)產(chǎn)生汽蝕，現(xiàn)有的科研成果主要分為兩類方法解決汽蝕，一種是提高進(jìn)口壓強(qiáng)，一種是優(yōu)化葉輪。想要從根本上解決汽蝕問(wèn)題還要從設(shè)備的研發(fā)和

2、優(yōu)化設(shè)計(jì)做起，所以本文就主要通過(guò)葉輪設(shè)計(jì)，配合數(shù)值計(jì)算流固耦合分析和離心泵特性試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)離心泵的葉輪汽蝕問(wèn)題進(jìn)行研究。本文的主要工作和實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:
　　1、為了研究葉輪對(duì)離心泵汽蝕的影響，運(yùn)用Ansys bladegen設(shè)計(jì)了在相同子午面流道，和相同三元葉型情況下設(shè)計(jì)四種葉片數(shù)，四種葉片包角，四種葉片進(jìn)口角的離心泵葉輪，利用Pro/e對(duì)葉輪模型的葉片進(jìn)行三維設(shè)計(jì)。
　　2、為了模擬離心泵整機(jī)的流場(chǎng)，需要對(duì)進(jìn)口段和擴(kuò)

3、壓器(蝸殼)進(jìn)行建模，而擴(kuò)壓器也是一個(gè)重要的部件，它起著將介質(zhì)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能的作用，最后將離心泵各個(gè)部件進(jìn)行裝配。
　　3、運(yùn)用數(shù)值模擬軟件CFX，對(duì)設(shè)計(jì)好的葉輪進(jìn)行整機(jī)流場(chǎng)和汽蝕模擬，首先對(duì)離心泵進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析確定最佳的網(wǎng)格數(shù)量，用空化多相非定常模型來(lái)模擬離心泵內(nèi)流場(chǎng)，進(jìn)口采用總壓進(jìn)口和質(zhì)量流量出口來(lái)調(diào)節(jié)NPSHa，使用Rayleigh-Plesset方程描述空泡生成和潰滅，使用了SST湍流模型封閉，采用了多重參考坐標(biāo)系

4、處理旋轉(zhuǎn)葉輪與蝸殼動(dòng)靜耦合交界面。最后可以得到離心泵葉輪的汽蝕分布，壓力分布等高線，速度分布矢量圖，以及流線圖，并通過(guò)內(nèi)部函數(shù)預(yù)測(cè)了離心泵的外特性參數(shù)，對(duì)比分析了三類葉片葉輪的汽蝕特征，得出了離心泵葉輪內(nèi)湍流的汽泡分布規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明:(1)離心泵汽蝕從葉輪進(jìn)口產(chǎn)生，沿著葉片背面向葉輪流道發(fā)展。(2)離心泵葉片數(shù)量葉數(shù)太少，流體流動(dòng)情況很不好，流道內(nèi)有很嚴(yán)重的二次渦堵塞流道，葉數(shù)較多的葉輪雖然對(duì)流體能量傳遞更多但是葉片機(jī)械損失也就增加

5、，模擬結(jié)果表明7葉片的葉輪性能最佳。(3)葉片包角影響葉輪流道的形狀，從而影響汽泡的發(fā)展和擴(kuò)散，模擬結(jié)果表明包角120°時(shí)的汽泡含量最低。(4)葉片進(jìn)口形狀主要影響汽蝕的初生，安放角越小葉片進(jìn)口越彎曲，沖角越小，紊流就越嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致局部壓力下降加速汽蝕。
　　4、對(duì)葉輪進(jìn)行流固耦合分析，葉輪在有流場(chǎng)預(yù)應(yīng)力載荷的情況下分析其葉輪載荷和振動(dòng)情況。將上面不同參數(shù)的葉輪在NPSHa=2，Q=21kg/s工況下的流場(chǎng)壓力施加到葉輪表面上，