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节能离心泵全流道数值模拟及性能预测

作　者: 王文全
导　师: 张立翔
学　校: 昆明理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 节能离心泵数值模拟非结构网格有限体积法
分类号: TH311
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 324次
引　用: 8次
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内容摘要

水泵在众多工业领域中有着广泛的应用,发挥着重要的作用,但与此同时,由于流体设计方面的原因,传统水泵的效率不高,成为相应行业中耗电的“大户”。因此提高泵的效率,降低泵的能耗,改善泵的性能,不仅具有重要的工业价值,而且具有理论意义。传统的泵的设计方法基于半理论、半经验和试验验证的基础上,即“设计—试制—试验—改进”的设计方法,该方法受研究手段所限不能全面了解泵内部流场分布及流动特点,在设计上存在诸多值得改善的地方。近年来,随着计算流体力学(CFD)的发展及应用,使得通过数值仿真,全面研究离心泵内部流动已经成为可能。本论文以某新型节能离心泵为研究对象,利用现代非结构网格技术离散泵全流道区域,用κ-ε双方程模型和大涡模拟方法分别对不同工况下的内部流动进行了分析,并对不同叶轮组合情况下泵的性能进行了对比研究。主要研究工作如下: (1) 在查阅大量文献的基础上,综述了计算流体力学在流体物理、网格技术以及计算方法等方面的最新发展及动态,以及CFD在流体机械内部流动数值模拟方面的应用,并对雷诺时均方程、标准κ-ε模型和基于非结构网格的有限体积法和SIMPIEC算法在离心泵流场中的应用进行了全面的总结。 (2) 应用GAMBIT软件,对三维扭曲叶片,叶轮区域、导流槽区域、旋流管区域和进出口区域分别进行了三维几何建模,结合现代非结构网格技术,对流道各区域进行了网格划分,并用非一致网格对接技术,实现了各区域的流动信息交换。通过TGRID软件连接各计算区域,成功建立了具有复杂流道的节能离心泵从进口到出口区域的全流道三维数值计算模型。 (3) 基于标准κ-ε双方程模型、现代非结构网格技术和有限体积离散方法,使用Fluent流体动力学软件,计算了四叶片型式下,12种不同流量工况下的水泵扬程、轴功率和效率,并与试验结果进行对比,吻合较好,从而验证了此次数值建模和计算方法的正确性。同时还分别针对4种不同叶片型式下的叶轮,在6种不同流量工况下分别进行了计算,并

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第一章绪论  12-27
  1.1 前言  12-13
  1.2 计算流体力学简介  13-21
    1.2.1 计算流体力学特征  13-14
    1.2.2 计算流体力学优势  14-15
    1.2.3 计算流体力学进展  15-19
    1.2.4 CFD通用软件介绍  19-21
  1.3 离心泵内部流动数值模拟简介  21-24
    1.3.1 控制方程  22-23
    1.3.2 定解条件  23
    1.3.3 离散方法  23
    1.3.4 计算方法  23-24
  1.4 为什么选择FLUENT  24-25
  1.5 本文的主要工作  25-27
第二章流动描述及数值计算方法  27-55
  2.1 流动控制方程  27-29
    2.1.1 质量守恒方程  27
    2.1.2 动量守恒方程  27-29
    2.1.3 控制方程的通用形式  29
  2.2 湍流及其数学描述  29-32
    2.2.1 湍流控制方程  29-30
    2.2.2 标准k-ε两方程模型  30-32
  2.3 近壁湍流模拟的壁函数法  32-35
    2.3.1 动量方程中变量u的计算式  33-34
    2.3.2 湍动能方程与耗散率方程中k和ε的计算式  34-35
  2.4 有限体积法  35-38
  2.5 二阶迎风离散格式  38-41
  2.6 SIMPLEC算法  41-51
    2.6.1 基于交错网格下的SIMPIEC算法  42-46
    2.6.2 基于非结构网格下的SIMPIEC算法  46-51
      2.6.2.1 动量方程的离散  46-47
      2.6.2.2 速度修正方程的建立  47-50
      2.6.2.3 压力修正方程的建立  50-51
  2.7 旋转参考坐标系  51-55
    2.7.1 旋转坐标系中的运动表述  52-53
    2.7.2 导入网格后的建模步骤  53
    2.7.3 求解方法  53-55
第三章泵物理模型及网格生成  55-61
  3.1 三维流道实体模型的建立  55-56
  3.2 三维网格生成  56-60
    3.2.1 网格拓扑结构  56-57
    3.2.2 非一致网格技术  57-59
    3.2.3 网格划分  59-60
  3.3 边界类型和连续介质类型  60-61
第四章数值模拟及泵性能预测  61-89
  4.1 边界条件处理  61-62
  4.2 叶轮受力特性分析  62-63
  4.3 能量指标与空化性能  63-66
    4.3.1 能量指标  63-64
    4.3.2 空化性能  64-65
    4.3.3 数值模拟值与试验实测值对比分析  65-66
  4.4 各种组合情况下的计算结果  66-72
    4.4.1 不同组合下叶轮受力特性分析  67-69
    4.4.2 不同组合下的能量和气蚀性能分析  69-72
  4.5 不同工况下的流场及分析  72-89
    4.5.1 最优工况  72-78
    4.5.2 小流量工况  78-83
    4.5.3 大流量工况  83-89
第五章大涡模拟  89-102
  5.1 人涡模拟原理  89-94
    5.1.1 传统紊流模型的局限性以及直接数值模拟困难  89
    5.1.2 大涡模拟成立的力学基础  89-90
    5.1.3 大涡模拟的滤波函数  90-91
      5.1.3.1 BOX滤波器  90-91
      5.1.3.2 傅式截断滤波器  91
      5.1.3.3 高斯型滤波器  91
    5.1.4 控制方程  91-92
    5.1.5 亚格子涡粘模型  92-94
      5.1.5.1 Smagorinsky-Lilly亚格子模型  92-93
      5.1.5.2 RNG亚格子模型  93
      5.1.5.3 Wale亚格子模型  93-94
    5.1.6 大涡模拟的近壁处理  94
  5.2 数值方法及边界条件  94-95
  5.3 计算成果  95-102
    5.3.1 能量、空化及力学性能的对比分析  95
    5.3.2 内部压力场对比分析  95-96
    5.3.3 内部流场分布的对比分析  96-102
      5.3.3.1 叶轮区域  96-97
      5.3.3.2 叶片  97-99
      5.3.3.3 旋流管  99-101
      5.3.3.4 导流槽  101-102
第六章结论与展望  102-107
  6.1 结论  102-105
    6.1.1 能量性能  102
    6.1.2 空化性能  102-103
    6.1.3 叶轮受力特性  103
    6.1.4 内部流场计算成果  103-105
      6.1.4.1 叶轮内流场分布  103-104
      6.1.4.2 叶片表面流场分布  104
      6.1.4.3 导流槽内流场分布  104-105
      6.1.4.4 旋流管及出口区域流场分布  105
    6.1.5 κ-ε模型和大涡模拟模型对比分析成果  105
  6.2 展望  105-107
致谢  107-108
参考文献  108-112
附录A  112-133
附录B  133

节能离心泵全流道数值模拟及性能预测

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