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基于CFD的大流量高汽蚀性能凝结水泵的设计与性能分析

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基于CFD的大流量高汽蚀性能凝结水泵的设计与性能分析

作者：许陈栋浙江科技学院

学位级别：硕士

凝结水泵广泛应用于火力发电厂、石油化工等工业的大型设备凝结水抽送,在国民经济生产中有着举足轻重的作用。近年来,随着工业体量规模的增大,对大流量(>150 m/h)凝结水泵的需求不断增加,而流量的增大会引起管道阻力损失增大,从而导致... 详细信息

凝结水泵广泛应用于火力发电厂、石油化工等工业的大型设备凝结水抽送,在国民经济生产中有着举足轻重的作用。近年来,随着工业体量规模的增大,对大流量(>150 m/h)凝结水泵的需求不断增加,而流量的增大会引起管道阻力损失增大,从而导致水泵进口至叶轮的压力降增加,这就对水泵的汽蚀性能提出了更高的要求。针对大流量凝结水泵汽蚀性能不佳的问题,本文从实际使用需求出发,开展大流量(280 m/h)高汽蚀性能(汽蚀性能的卧式凝结水泵。本文主要研究工作如下:1.根据设计要求构建了大流量高汽蚀性能凝结水泵的水力模型及CFD数值模型。在确定凝结水泵设计参数后,开展了凝结水泵的水力模型设计及三维建模,随后对水泵模型抽取流体域和划分网格,基于SST k-ω湍流模型和有限体积法,构建了凝结水泵CFD数值分析模型,进行了水泵外特性(扬程、效率)、内部流场和汽蚀性能分析,验证了所设计的水力模型有效性。2.探究了不同叶片数的叶轮与导叶匹配特性对泵的性能影响。在原型泵的基础上设计了5、6、7叶片数的叶轮和7、8、9叶片数的导叶,分别对不同叶轮和导叶匹配的9组模型泵进行三维定常数值模拟。得到了不同模型泵的外特性曲线以及额定工况下的临界汽蚀余量,结果表明:泵的扬程和效率随着叶轮叶片数的增加而提高,但汽蚀性能会降低,当导叶叶片数为7片时,泵具有最佳的外特性,而在导叶叶片数为8和9时,泵的外特性基本不变。因此,为平衡泵的汽蚀性能和水力性能,首级叶轮叶片数选择为5片,次级和末级叶轮叶片数选择为7片。3.在诱导轮设计的基础上研究了诱导轮对凝结水泵的性能影响,并通过对诱导轮的优化进一步改善了泵的汽蚀性能。根据水泵的进口段参数构建了诱导轮水力模型,并通过仿真验证了诱导轮对改善水泵汽蚀性能的重要作用。随后以诱导轮的叶片厚度、导程和叶片数量为变量因素,诱导轮扬程最大为优化目标,采用响应面法对诱导轮进行响应值分析,得到最优参数并进行仿真。结果表明:一定程度上(2～4诱导轮叶片)增加诱导轮叶片数量、减小叶片厚度,可以提高诱导轮扬程,改善泵叶轮的汽蚀性能,优化后的诱导轮对叶轮的汽蚀抑制效果更优。4.最后,在企业中试制出凝结水泵样机进行外特性试验和汽蚀试验,试验结果显示:水泵在额定流量(280 m/h)工况下,扬程H=186 m,效率η=70%,临界汽蚀余量NPSH=1.05 m,各项性能均达到设计要求。通过试验与仿真的结果对比,验证了此次数值模拟的可靠度;对比国内外同类高水平泵的性能参数,结果显示此次设计的大流量高汽蚀性能凝结水泵在同类产品中已达领先水平。

关键词：凝结水泵大流量汽蚀性能计算流体力学

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鱼友好型轴流泵流场数值分析与汽蚀性能优化

农业机械学报 2016年第4期47卷 15-21页

作者：潘强施卫东张德胜江苏大学流体机械工程技术研究中心镇江212013

为了提高鱼友好型设计造成的轴流泵汽蚀性能下降,通过实验对比验证了采用ANSYS CFX数值预测原型泵及鱼友好型泵汽蚀性能的可行性,得到经过鱼友好型设计后,原型泵许用空化余量(性能参数下降3%)数值计算结果由3.5 m增加到9 m,难以满足使... 详细信息

为了提高鱼友好型设计造成的轴流泵汽蚀性能下降,通过实验对比验证了采用ANSYS CFX数值预测原型泵及鱼友好型泵汽蚀性能的可行性,得到经过鱼友好型设计后,原型泵许用空化余量(性能参数下降3%)数值计算结果由3.5 m增加到9 m,难以满足使用要求。通过分析鱼友好型泵的内部流场特性,揭示了轮毂处涡旋的产生机理以及叶片进口冲角过大的原因,由此设计出抑制涡旋产生、更加符合流动特性的叶片截面翼型,并修正部分设计参数。数值计算结果表明:优化后泵内部流场流动平稳,翼型头部液流过渡良好,没有局部速度增量产生,轮毂侧流动贴合叶片表面,在吸力面也没有产生涡旋,鱼友好型泵的装置许用空化余量预测值降低到3 m左右,完全满足原型泵的使用要求。

关键词：泵站鱼友好型轴流泵汽蚀性能涡旋生成数值分析

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采用环形入口壳体的诱导轮汽蚀性能研究

机械工程学报 2011年第4期47卷 171-176页

作者：唐飞李家文陈晖李向阳宣统北京航空航天大学宇航学院北京100191 西安航天动力研究所西安710100

针对某型号液体火箭发动机离心泵所发生汽蚀问题,在基于SIMPLEC算法上,采用雷诺时均Navier-Stokes方程(简称N-S方程)控制方程、Realizable k-ε湍流模型和mixture多相流模型,对泵环形入口壳体和诱导轮进行汽蚀性能研究。在数值流场计算... 详细信息

针对某型号液体火箭发动机离心泵所发生汽蚀问题,在基于SIMPLEC算法上,采用雷诺时均Navier-Stokes方程(简称N-S方程)控制方程、Realizable k-ε湍流模型和mixture多相流模型,对泵环形入口壳体和诱导轮进行汽蚀性能研究。在数值流场计算研究中,分析各部件对诱导轮汽蚀性能的影响,发现诱导轮及环形入口壳体内流场的不对称性降低诱导轮的汽蚀性能。通过合适调整环形入口壳体面积比以及环形入口壳体出口与诱导轮之间的距离,使环形入口壳体出口流场收缩,在加速流中获得较均匀的速度场,改善了诱导轮入口流动参数,提高了诱导轮的汽蚀性能。所采用的改进方法对液体火箭发动机离心泵的研制和优化具有一定的指导意义。

关键词：离心泵环形入口壳体诱导轮汽蚀性能

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基于流场数值模拟的高速磁力泵汽蚀性能研究

农业机械学报 2009年第9期40卷 89-93页

作者：孔繁余张洪利高翠兰刘建瑞江苏大学流体机械工程技术研究中心镇江212013

为了改善高速磁力泵的抗汽蚀性能,在泵吸入口处设置导流栅。建立了吸入口设置导流栅和未设置导流栅的两种模型,采用Fluent软件对高速磁力泵内流场进行数值模拟,给出了各自内部压力分布以及粒子流动迹线图。通过两组数据的比较,得到了内... 详细信息

为了改善高速磁力泵的抗汽蚀性能,在泵吸入口处设置导流栅。建立了吸入口设置导流栅和未设置导流栅的两种模型,采用Fluent软件对高速磁力泵内流场进行数值模拟,给出了各自内部压力分布以及粒子流动迹线图。通过两组数据的比较,得到了内部流场的主要特征,模拟表明高速磁力泵吸入口设置轴向可变位导流栅可以有效提高抗汽蚀性能。数值模拟与高速磁力泵真机的试验对比表明,两者几乎一致,为高速磁力泵的改进设计提供了一定的理论依据。

关键词：高速磁力泵导流栅流场数值模拟汽蚀性能

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基于CFD技术的多级离心泵汽蚀性能研究

热能动力工程 2013年第5期28卷 514-517,555页

作者：陈芳芳李志鹏王昌生长沙理工大学能源与动工程学院湖南长沙410114

为提高多级泵的抗汽蚀性能,改进设计了泵的首级叶轮结构,增加了叶轮进口直径和出口宽度、使叶片进口边向入口方向延伸、增大盖板在进口部分的曲率半径、减小进口处叶片厚度、相应增加吸水室进口直径和扩大吸水室环形空间。利用Fluent软... 详细信息

为提高多级泵的抗汽蚀性能,改进设计了泵的首级叶轮结构,增加了叶轮进口直径和出口宽度、使叶片进口边向入口方向延伸、增大盖板在进口部分的曲率半径、减小进口处叶片厚度、相应增加吸水室进口直径和扩大吸水室环形空间。利用Fluent软件对多级泵改进前后首级叶轮的内部流场进行数值模拟,模拟结果表明:汽蚀发生区域为叶轮进口背面靠近轮缘处,改进后首级叶轮流道内流动平稳,压力和速度分布均匀。利用数值模拟的方法对改进前后泵汽蚀性能进行预测,并经汽蚀试验验证,相对误差分别为2.6%和2.5%。改进后汽蚀余量减小且小于规定值,汽蚀性能得到提高,达到改进目的。数值模拟结果为多级泵的设计和改进提供了可靠依据。

关键词：多级离心泵首级叶轮汽蚀性能 CFD

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基于CFD的发动机冷却水泵汽蚀性能预测

排灌机械工程学报 2012年第2期30卷 176-180页

作者：李伟施卫东张华裴冰陆伟刚江苏大学流体机械工程技术研究中心江苏镇江212013

以雷诺时均N-S方程为基本控制方程,采用标准k-ε双方程湍流模型及多相流模型,利用计算流体动力学软件CFX模拟了发动机冷却水泵内部的三维湍流流场,对某一叶轮严重损坏的发动机冷却水泵外特性性能和汽蚀性能进行预测,并分析叶轮损坏原因... 详细信息

以雷诺时均N-S方程为基本控制方程,采用标准k-ε双方程湍流模型及多相流模型,利用计算流体动力学软件CFX模拟了发动机冷却水泵内部的三维湍流流场,对某一叶轮严重损坏的发动机冷却水泵外特性性能和汽蚀性能进行预测,并分析叶轮损坏原因,观察冷却水泵叶轮内部汽蚀情况.模拟结果表明:在85℃下模型泵的临界汽蚀余量约为10.7 m,在表压为0时已发生了较为严重的汽蚀现象,叶轮破坏主要是由汽蚀引起.通过与试验数据进行对比验证,水泵在285 L/min设计流量下扬程为6.1 m,远远低于常温下的数值模拟结果,说明该泵在实际运行工况下已发生严重汽蚀,试验结果与数值预测结论基本吻合.研究结果对于改善发动机冷却水泵的汽蚀性能、防止和减轻空化现象产生提供理论依据,也为判断和模拟发动机冷却水泵的汽蚀破坏提供了一个快速、准确的计算方法.

关键词：发动机冷却水泵汽蚀性能三维湍流流场临界汽蚀余量性能预测

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基于CFD技术的离心泵汽蚀性能优化

石油化工设备技术 2022年第4期43卷 21-24,I0002页

作者：陈冰李志鹏罗幼如冯少生湖南天一奥星泵业有限公司湖南岳阳414000 长沙理工大学湖南长沙410114

以TSY500-400-895型离心泵为研究对象,采用ANSYS CFX软件进行离心泵内部流动的数值计算与汽蚀模拟,预测了设计工况(Q=2700 m^(3)/h)下离心泵的临界汽蚀余量(NPSH_(r))。在此基础上对离心泵叶轮的结构参数进行了优化设计,优化后泵的临界... 详细信息

以TSY500-400-895型离心泵为研究对象,采用ANSYS CFX软件进行离心泵内部流动的数值计算与汽蚀模拟,预测了设计工况(Q=2700 m^(3)/h)下离心泵的临界汽蚀余量(NPSH_(r))。在此基础上对离心泵叶轮的结构参数进行了优化设计,优化后泵的临界汽蚀余量降低了1~1.5 m,汽蚀性能得到了有效改善。在试验台上对优化前后的离心泵进行汽蚀性能试验,并与数值模拟的预测结果进行比对,结果显示,NPSH_(r)预测值与试验值基本吻合,表明利用流体动力学(CFD)软件进行汽蚀分析,可以有效地指导工程实践。

关键词： CFD 离心泵结构优化汽蚀性能

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基于空化模型的多级离心泵汽蚀性能分析

流体机械 2011年第1期39卷 29-31,28页

作者：黄思管俊华南理工大学广东广州510640

应用Rayle igh-P lesset气泡方程建立离心泵空化模型,并与气液两相湍流控制方程耦合求解,得到了多级离心泵内三维湍流场及气液相分布,捕捉到气泡的初生、发展及冷凝过程。计算了不同流量下的离心泵的必需汽蚀余量并与实测结果进行了对... 详细信息

应用Rayle igh-P lesset气泡方程建立离心泵空化模型,并与气液两相湍流控制方程耦合求解,得到了多级离心泵内三维湍流场及气液相分布,捕捉到气泡的初生、发展及冷凝过程。计算了不同流量下的离心泵的必需汽蚀余量并与实测结果进行了对比分析。

关键词：多级离心泵空化模型汽蚀性能模拟计算

离心泵的叶片进口几何形状对泵汽蚀性能的影响

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流体机械 2012年第8期40卷 36-39页

作者：张建华楚武利马文瑛西北工业大学陕西西安710072 西安航天泵业有限公司陕西西安710100

为了改善离心泵内的汽蚀性能,以ZA150-315石油化工离心泵为研究对象,在离心叶轮基本外尺寸和设计转速相同的情况下,以3种不同厚度变化规律构造3种离心泵叶轮,运用FLUENT软件进行数值模拟计算,得到了汽蚀发生时泵内部气-液两相分布规律... 详细信息

为了改善离心泵内的汽蚀性能,以ZA150-315石油化工离心泵为研究对象,在离心叶轮基本外尺寸和设计转速相同的情况下,以3种不同厚度变化规律构造3种离心泵叶轮,运用FLUENT软件进行数值模拟计算,得到了汽蚀发生时泵内部气-液两相分布规律和压力分布规律。分析表明:叶片进口段的形状影响泵的汽蚀性能。叶片进口段形状越接近流线型泵的抗汽蚀性能越好,加大叶片进口段曲率半径可以降低泵的汽蚀余量,改善泵的汽蚀性能。

关键词：离心泵汽蚀性能数值模拟进口边形状