雙流道泵內(nèi)非定常三維湍流數(shù)值模擬及PIV測(cè)試.pdf

1、隨著社會(huì)進(jìn)步和科技發(fā)展，人們對(duì)泵的高效率、穩(wěn)定性和低噪聲等方面提出了更苛刻的要求。鑒于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和CFD方法的日趨成熟，CFD將在葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)和研究領(lǐng)域中扮演更重要的角色。本文的工作主要圍繞數(shù)值模擬程序的建立、雙流道泵內(nèi)非定常三維湍流的數(shù)值模擬、利用先進(jìn)的PIV技術(shù)研究雙流道泵葉輪內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)而展開(kāi)。主要工作及創(chuàng)造性成果如下： 1.發(fā)展了一套基于微分方程法生成三維結(jié)構(gòu)化貼體網(wǎng)格的程序。所用微分方程為Poisson方程

2、，并采用Thompson和Sorenson的思想，以指數(shù)函數(shù)作內(nèi)插傳遞、根據(jù)網(wǎng)格正交性和間距的要求構(gòu)造源函數(shù)P，Q，R。用該程序生成的雙流道泵葉輪和蝸殼網(wǎng)格，品質(zhì)良好，能夠滿足雙流道泵內(nèi)流計(jì)算精度的要求，且網(wǎng)格疏密度可人為控制，網(wǎng)格線與邊界線正交，便于湍流壁面條件的引入。該網(wǎng)格生成程序經(jīng)改進(jìn)也可用于其他非規(guī)則幾何形狀流道網(wǎng)格的自動(dòng)生成。 2.開(kāi)發(fā)了一套基于求解Reynolds時(shí)均化的Navier-Stokes方程組的、可用于層流

3、或湍流、可壓縮或不可壓縮、旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)三維流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算程序，并在Visual FORTRAN平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了該程序的用戶(hù)操作界面。在其中應(yīng)用了基于同位網(wǎng)格系統(tǒng)的SIMPI正算法，并利用Rhie和Chow提出的動(dòng)量插值法消除同位網(wǎng)格上可能出現(xiàn)的波形壓力場(chǎng)。對(duì)于湍流時(shí)均流場(chǎng)的數(shù)值模擬，程序中包括標(biāo)準(zhǔn)K-兩方程模型以及考慮旋轉(zhuǎn)與曲率修正的K-模型。用該程序依次計(jì)算了0彎管、雙流道泵葉輪和蝸殼內(nèi)的流動(dòng)，并與FUYENT計(jì)算結(jié)果對(duì)比研究，表明所開(kāi)發(fā)

4、的程序具有較高的可靠性、流場(chǎng)模擬的準(zhǔn)確性以及處理各類(lèi)問(wèn)題的靈活性。 3.利用FLUENT軟件對(duì)雙流道泵全流道內(nèi)非定常三維湍流進(jìn)行了數(shù)值模擬，從不同層面較全面地揭示了雙流道泵全流道內(nèi)的絕對(duì)速度、相對(duì)速度、靜壓、總壓、湍動(dòng)能和固相體積濃度分布規(guī)律；分析了雙流道泵全流道內(nèi)固.液兩相流場(chǎng)隨顆粒直徑和顆粒體積濃度的變化規(guī)律；揭示了雙流道泵內(nèi)受葉輪.蝸殼動(dòng)靜干涉引起的非定常流動(dòng)特性。主要結(jié)論有： (1)同一工況下，葉輪流道內(nèi)不同截面

5、上速度分布不同，靠近前蓋板側(cè)的截面受葉輪進(jìn)口有旋流動(dòng)影響大，流動(dòng)相對(duì)紊亂，葉輪出口邊上速度分布最不均，靠近后蓋板側(cè)的截面受葉輪進(jìn)口有旋流動(dòng)影響小，流動(dòng)相對(duì)規(guī)律，葉輪出口邊上速度分布最為均勻。 (2)不同流量工況下，雙流道泵內(nèi)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布規(guī)律類(lèi)似，但是，隨著流量的增加葉輪流道內(nèi)相對(duì)速度增大、絕對(duì)速度減小，流道進(jìn)出口總壓差逐漸降低。設(shè)計(jì)工況下，雙流道泵的內(nèi)部流態(tài)最好。 (3)固.液兩相流場(chǎng)中，固相體積濃度分布不均。葉輪

6、進(jìn)口處顆粒分布還比較均勻，隨著流動(dòng)的發(fā)展，顆粒在向外運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，嚴(yán)重偏向葉輪工作面和后蓋板，進(jìn)入蝸殼流道后，少部分顆粒能直接從蝸殼出口流出，大部分顆粒撞擊蝸殼壁面，留在蝸殼內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)圈才能流出。顆粒濃度變化對(duì)固相的離析作用影響相對(duì)不大，但是，顆粒體積濃度較小時(shí)，顆粒有向流道吸力面遷移的趨勢(shì)。顆粒直徑變化對(duì)固相的離析作用影響較大，粒徑越大，流道內(nèi)顆粒分布越不均勻，固相的離析作用越明顯。在本文所研究的粒徑和濃度范圍內(nèi)，雙流道泵的揚(yáng)程隨顆粒濃度

7、的增加而減小，粒徑變化對(duì)揚(yáng)程的影響不明顯。 (4)考慮葉輪和蝸殼的動(dòng)靜干涉作用，不同時(shí)刻雙流道泵的內(nèi)部流動(dòng)呈現(xiàn)不同特點(diǎn)。當(dāng)葉道旋轉(zhuǎn)至靠近蝸殼出口側(cè)時(shí)，速度和壓力分布規(guī)律性強(qiáng)；當(dāng)葉道旋轉(zhuǎn)至遠(yuǎn)離蝸殼出口側(cè)時(shí)，流體流動(dòng)受阻，葉輪出口明顯有回流。隨著葉道相對(duì)隔舌位置的不同，蝸殼內(nèi)靜壓和總壓分布呈周期性變化，每個(gè)葉片的尾部在蝸殼內(nèi)的總壓分布圖上留下了明顯的尾跡區(qū)。 4.構(gòu)建了離心泵專(zhuān)用PFV測(cè)試臺(tái)，設(shè)計(jì)制作了滿足PFV測(cè)試要求的模