（機械電子工程專業(yè)論文）離心泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬與實驗分析.pdf

分類號 幽 u d c 工學(xué)碩士學(xué)位論文 離心泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬與實驗分析 作者姓名 薛冰軍 指導(dǎo)教師 魏效玲教授 申請學(xué)位級別 工學(xué)碩士 學(xué)科專業(yè) 機械設(shè)計及理論 所在單位 機電工程學(xué)院 授予學(xué)位單位 河北工程大學(xué) ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o h e b e iu n i v e r s i t yo fe n g i n e e r i n g f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a l a n a l y s i so fi n n e rf l o w f i e l do fc e n t r i f u g a l p u m p c a n d i d a t e s u p e r v i s o r a c a d e m i c d e g r e ea p p l i e df o r s p e c i a l t y c o l l e g e d e p a r t m e n t x u eb i n g i u n p r o f w e ix i a o l i n g m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y c o l l e g eo fm e c h a n i c a l e l e c t r i c a h e b e iu n i v e r s i t yo f e n g i n e e r i n g 一1 1一 j u n e 2 0 1 2 獨創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下 獨立進行研 究工作所取得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本論文不含任何其他個人 或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得河北工程大堂或其他教 育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料 對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體 均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意 本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果 由本人承擔(dān) 學(xué)位論文作者簽名 謬劾夠竄 簽字同期 年 多月丁同 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解塑蘭堡王猩盤鱟有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī) 定 特授權(quán)塑皇堡三猩盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫 進行檢索 并采用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存 匯編以供查閱和借閱 同 意學(xué)校向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子文檔 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明 學(xué)位論文作者簽名 櫪倜旆 簽字日期 力 年鈿曠日 導(dǎo)師簽名 粼途 簽字同期 如 1 年6 月r 同 摘要 摘要 離心泵是一種應(yīng)用較廣泛的能耗大效率低的設(shè)備 近年來 隨著計算機技術(shù) 的快速發(fā)展 利用f l u e n t 實現(xiàn)離心泵的內(nèi)部流場數(shù)值模擬為了解和掌握離心泵 復(fù)雜的內(nèi)部流動開辟了新的途徑 彌補了傳統(tǒng)設(shè)計方法的不足 對離心泵的優(yōu)化 設(shè)計 水力性能的改善 提高其效率具有非常重要的意義 本文首先采用p r o e 軟件建立離心泵的三維實體模型 然后采用計算流體動 力學(xué)軟件f l u e n t 對r y 型離心泵進行內(nèi)部流場的數(shù)值模擬 得到不同工況下離 心泵內(nèi)部流場不同時刻的速度分布和壓力分布 分析了離心泵內(nèi)部的流動規(guī)律 并進行性能預(yù)測 在此基礎(chǔ)上對r y 型離心泵進行優(yōu)化改進 并對優(yōu)化后的離心 泵進行不同工況下內(nèi)部流場的數(shù)值模擬 通過計算結(jié)果與實驗結(jié)果的比較驗證該 方法計算離心泵內(nèi)部流動的可行性和正確性 本文主要作了以下幾方面的研究工作 1 介紹了離心泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬的國內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀及商用c f d 軟 件的發(fā)展 從控制方程 湍流模型問題的提出及解決方法 湍流模型的后處理等 多方面介紹了湍流流動數(shù)值模擬理論 2 介紹了計算流體動力學(xué)的基本理論知識 闡述了流體與流動的基本特性 給出了流體動力學(xué)的基本控制方程 3 n 用p r o e 軟件對r y 型離心泵過流部件進行實體造型 建立離心泵的三 維實體模型 4 介紹了f l u e n t 環(huán)境下離心泵的數(shù)值計算過程 應(yīng)用滑移網(wǎng)格法對離心泵 內(nèi)部湍流流動進行非定常數(shù)植模擬 得到不同工況下各個時刻的速度分布和壓力 分布 通過計算結(jié)果比較分析 揭示了離心泵內(nèi)部的流動規(guī)律 5 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對現(xiàn)有r y 型離心泵進行優(yōu)化設(shè)計 并以此為基礎(chǔ)進行 離心泵的性能預(yù)測 將預(yù)測結(jié)果與已有的實驗測試結(jié)果進行分析比較 驗證了所 采用方法的可行性和 f 確性 關(guān)鍵詞 離心泵 三維建模 計算流體動力學(xué) 流場分析 數(shù)值模擬 滑移網(wǎng)格 a b s t r a c t a b s t r a c t c e n t r i f u g a lp u m p i sw i d e l ya p p l i e de q u i p m e n tw h i c hn e e d sm o r ee n e r g yb u th a s l o we f f i c i e n c y i nr e c e n ty e a r s a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r t e c h n o l o g y w ec a na c h i e v ei n t e m a lf l o wf i e l dv a l u es i m u l a t i o no fc e n t r i f u g a lp u m pb y f l u e n t i to p e n san e wa v e n u em a s t e r i n gi n t e m a lf l o wf i e l do fc e n t r i f u g a lp u m pa n d m a k e su pf o r t h el a c ko fd e s i g n i th a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c eo nt h eo p t i m i z a t i o n d e s i g no ft h ec e n t r i f u g a lp u m p h y d r a u l i cp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t i m p r o v i n g e f f i c i e n c y t h i sp a p e rf i r s t l ys e tu pa3 de n t i t ym o d e lb a s e do nt h ep r o e t h e nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h ec e n t r i f u g a lp u m pf o ri n t e r n a lf l o wf i e l db yu s i n gt h es o f t w a r eo f f l u e n tc a ng e tt h ec e n t r i f u g a lp u m pi n t e m a lf l o wf i e l do fv e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n d s t r e s sd i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n sa n dt i m e t h r o u g ht h i s w ec a n a n a l y z et h ei n t e m a ll a wo ft h ec e n t r i f u g a lp u m pa n dc a l c u l a t et h ep e r f o r m a n c e b a s e d o ni t w eo p t i m i z er yc e n t r i f u g a lp u m pa n dp e r f o r mt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e f l o wf i e l du n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s t h r o u g ht h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h e c a l c u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s v e r i f y i n gt h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo f t h ew a yt oc a l c u l a t ei n t e m a lf l o wo fc e n t r i f u g a lp u m p t h i sp a p e rm a i n l yd o e st h ef o l l o w i n gj o b s 1 i n t r o d u c i n gc u r r e n tr e s e a r c hd e v e l o p m e n ta th o m ea n d a b r o a da b o u tc e n t r i f u g a l p u m p i ta l s oi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft h es o f t w a r eo nc f d a n dt h et u r b u l e n tf l o w n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h e o r yb a s e do nt h ec o n t r o le q u a t i o n s p u t t i n gf o r w a r dt u r b u l e n c e m o d e lo ft h ep r o b l e ma n dt h es o l v i n gm e t h o d s t u r b u l e n tm o d e lp o s t p r o c e s s i n ga n ds o o n 2 i n t r o d u c i n gt h eb a s i ct h e o r yk n o w l e d g eo fc o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s e x p o u n d i n gb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l o wo ff l u i d a n dg i v i n gt h eb a s i cc o n t r o l e q u a t i o n so ft h ef l o wo ff l u i d 3 e s t a b l i s h i n gt h et h r e e d i m e n s i o n a le n t i t ym o d e lo fc e n t r i f u g a lp u m pu s i n g p r o e 4 i n t r o d u c i n gn u m e r i c a lc a l c u l a t i o no fc e n t r i f u g a lp u m pb a s e do nf l u e n t w e c a ng e tv e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n sa n d t i m eb yp e r f o r m i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ef l o wf i e l du s i n gs l i d i n gg r i d ii a b s t r a c t t e c h n o l o g y t h r o u g ht h ef l o wf i e l dc a l c u l a t i o nr e s u l t s w ec a ng e tf l o wl a w 5 b a s e do nt h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n w eo p t i m i z er yc e n t r i f u g a lp u m p a n dt h e nt e s ti t s p e r f o r m a n c e a n a l y s i s i n gf o r e c a s t e dr e s u l t sa n dt e s t r e s u l t st o d e m o n s t r a t et h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d k e y w o r d s c e n t r i f u g a lp u m p 3 dm o d e l i n g c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s f o wf i e l d a n a l y s i s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s l i d i n gg r i d 目錄 目錄 摘要 i a b s t r a c t i i 第1 章緒論 1 1 1 本課題的研究背景及研究意義 1 1 2 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 2 1 2 1 國外相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 2 1 2 2 國內(nèi)相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 2 1 3 離心泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3 1 4 計算流體動力學(xué) c f d 技術(shù)的發(fā)展 6 1 5 本課題研究內(nèi)容 6 1 6 本章小結(jié) 7 第2 章離心泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬理論基礎(chǔ) 8 2 1 計算流體動力學(xué)理論基礎(chǔ) 8 2 1 1 計算流體動力學(xué)基本思想 8 2 1 2 流體與流動的基本特性 9 2 1 3 流體動力學(xué)的基本控制方程 1 0 2 2 湍流流動的數(shù)值模擬方法 1 3 2 3 常見湍流模型及應(yīng)用分析 14 2 4 離心泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬方法 2 0 2 5 本章小結(jié) 2 2 第3 章離心泵的三維實體建模 2 3 3 1 p r o e 造型軟件介紹 2 3 3 2 葉輪三維造型設(shè)計 2 4 3 3 蝸殼三維造型設(shè)計 2 7 3 4 本章小結(jié) 3 0 第4 章離心泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬 3 l 4 1f l u e n t 軟件介紹 31 4 2 幾何模型的簡化生成與網(wǎng)格的劃分 3 2 4 2 1 幾何模型簡化與生成 3 3 4 2 2 網(wǎng)格的劃分 3 3 4 3 旋轉(zhuǎn)葉輪和靜止蝸殼間的耦合模型 3 4 4 4 邊界條件 3 5 4 4 1 進口邊界條件 3 6 4 4 2 出口邊界條件 3 7 4 4 3 固體壁面邊界條件 3 7 4 5 離心泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬計算 3 8 4 5 1 設(shè)置計算模型 3 8 4 5 2 設(shè)置邊界條件 3 8 4 5 3 設(shè)置求解控制參數(shù) 3 8 4 5 4 迭代計算 3 9 4 6 迭代結(jié)果與分析 3 9 目錄 4 7 本章小結(jié) 一4 2 第5 章離心泵數(shù)值模擬結(jié)果與實驗值比較 4 3 5 1 離心泵性能實驗 4 3 5 1 1 基本原理 4 3 5 1 2 實驗數(shù)據(jù) 4 4 5 1 3 繪制離心泵工作性能曲線 4 6 5 2 優(yōu)化后離心泵數(shù)值模擬 4 7 5 2 1 幾何模型的建立 4 7 5 2 2 數(shù)值模擬結(jié)果分析 4 8 5 3 優(yōu)化前后數(shù)值模擬結(jié)果比較 4 9 5 3 1 同一時刻的速度分布比較 4 9 5 3 2 同一時刻的壓力分布比較 5 0 5 3 3 同一時刻的湍動能分布比較 5 1 5 4 性能預(yù)測與實驗值的比較 5 2 5 4 1f l u e n t 數(shù)值報告介紹 5 2 5 4 2 揚程的預(yù)測 5 3 5 4 3 效率的預(yù)測 5 3 5 4 4 預(yù)測值與實驗值的比較 一 5 4 5 5 本章小結(jié) 5 6 結(jié)論 5 7 致謝 5 9 參考文獻 6 0 作者簡介 6 3 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 6 3 第1 章緒論 第1 章緒論 泵與風(fēng)機屬于通用機械的范疇 在石油 化工 造船 水利 輕工及電力等國民 經(jīng)濟的各個領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用 同時 泵與風(fēng)機又是消耗能量最多的通用機械之 一 據(jù)統(tǒng)計 我國水泵與風(fēng)機裝機總功率已達1 5 9 億千瓦 其中風(fēng)機0 4 9 億千瓦 水 泵1 1 億千瓦 年總耗電量達到3 2 0 0 億千瓦時 大約消耗當(dāng)年全國電力消耗總量的 1 3 占工業(yè)用電量的4 0 我國泵與風(fēng)機的生產(chǎn)廠家眾多 產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊 實際 運行效率更低 僅為4 0 左右 據(jù)有關(guān)部門計算 如果能夠提高泵與風(fēng)機的設(shè)計效率 和運行效率 僅在電廠的風(fēng)機和水泵節(jié)約電量就達到2 5 6 9 億千瓦時 年 因此 改進 和提高泵與風(fēng)機的設(shè)計和運行效率能夠節(jié)省大量的能源 對社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具 有十分重要的意義u 離心泵結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了其內(nèi)部流場的分布相當(dāng)復(fù)雜 這也給離心泵內(nèi)部流動 情況的分析研究帶來了一定困難 近年來 國內(nèi)外對這方面的研究取得了一定成果 最早的是采用實驗方法 測得流場的分布情況 從而判斷離心泵結(jié)構(gòu)是否合理 近幾 年來 l d v p d v p l v p i v 等技術(shù)的發(fā)展進一步豐富了離心泵流場的測量 但這 些測試手段需要花費大量地人力物力并且需要熟練的實驗技術(shù) 離心泵內(nèi)部流場數(shù)值 模擬的研究已經(jīng)變得相當(dāng)活躍 實現(xiàn)離心泵的內(nèi)部流場數(shù)值模擬對于離心泵的優(yōu)化設(shè) 計 改善離心泵的水力性能以達到增效節(jié)能的目的具有重要的現(xiàn)實意義 而且 基于 c f d 數(shù)值模擬的現(xiàn)代設(shè)計方法還可以彌補傳統(tǒng)設(shè)計方法的不足從而可以設(shè)計出高效 節(jié)能的離心泵 這些都將對泵與風(fēng)機的設(shè)計研發(fā)帶來積極的影響 1 1 本課題的研究背景及研究意義 在石油工業(yè)中 離心泵是油田原油短距離集中輸送 石油管道長距離輸送和石油 化工流程中的重要流體輸送設(shè)備 具有結(jié)構(gòu)簡單 操作方便 運轉(zhuǎn)平穩(wěn) 便于維護等 優(yōu)點 因此 它在石油礦場上 儲運過程中和煉油廠內(nèi)應(yīng)用廣泛 石油 石油化工行 業(yè)中所使用的離心泵大多為蝸殼式離心泵 其中中低比轉(zhuǎn)速泵占很大的比例 另外 離心泵還具有壓力高 功率大 耗電高等參數(shù)特點 其中 離心泵單機消耗最大功率 已接近1 0 0 0 k w 啦 據(jù)統(tǒng)計 目前 油田泵的耗電量約占油田總耗電電量的1 2 其中 離心泵的消耗占有很大比重 通過對大慶油田輸油泵的調(diào)查發(fā)現(xiàn) 對任意選定的十臺離 心泵進行調(diào)查 分析 計算 結(jié)果表明平均每臺離心泵浪費功率8 1 2 k w 油田僅此一 項 按保守的估算每年消耗于出口節(jié)流閥門的功率就達4 5 0 0 萬度電 隨著現(xiàn)代石油 工業(yè)的快速發(fā)展 離心泵的重要性越來越明顯 但是目前市場 lj 的離心泵存在 個普 河北工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 遍的閥題就是泵的效率低下 因此 提高離心泵運行效率 降低離心泵電能消耗對提 i 高企業(yè)經(jīng)濟效益 國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展都有十分重要的現(xiàn)實意義 蔓曩 j 1 2 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 1 2 1 國外相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 早在19 2 0 年左右 就有學(xué)者關(guān)注于離心泵內(nèi)部流場研究 f i s c h e r 和t h o m a 用傳 統(tǒng)的流場顯示技術(shù)證明了離心泵葉輪內(nèi)部的真實流動與基于理想流體的流動分析 有明顯差別n 3 1 9 3 3 年 英國科學(xué)家t h o r n 應(yīng)用手搖計算機完成了對一個外掠圓柱流 動的數(shù)值計算嘲 1 9 5 7 年 a c o s t a 和b o w e r m a n 研究表明 在相當(dāng)大的范圍內(nèi) 葉片的 吸力面?zhèn)仁潜萌~輪內(nèi)部流動損失相對集中的區(qū)域嘲 f o w l e r 于2 0 世紀6 0 年代發(fā)現(xiàn) 了流道出口附近壓力面?zhèn)攘魉倜黠@大于吸力面?zhèn)?與勢流預(yù)測結(jié)論正好相反h 3 j o h n s o n 和m o o r e 實驗研究了離心泵葉輪流量對尾跡的影響嘲 a m d t 等實驗研究了 離心泵葉輪與蝸殼間的流動干擾 發(fā)現(xiàn)壓力面的壓力波動小于吸力面 最大的壓力 波動出現(xiàn)在吸力面進口邊嘲 s t o f f e l 等人先后研究了蝸殼對葉輪內(nèi)流的影響 實驗 結(jié)果表明 蝸殼與葉輪間的徑向間隙大到一定值后 蝸殼對葉輪內(nèi)流的影響不再顯 著 但葉輪出流仍不對稱n0 m 觚i s hs i n h a 等利用p i v 技術(shù)對帶有葉輪擴壓器的離 心泵內(nèi)部的轉(zhuǎn)子與靜子的相互干涉 失速現(xiàn)象進行了分析 計算和實驗研究u 1 1 1 2 2 國內(nèi)相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)科研人員也離心泵內(nèi)部流動測量進行了分析研究 吳仲華教授于1 9 5 2 年提 出了基于兩類相對流面的通用理論 在工業(yè)界被廣泛應(yīng)用 引 這大大影響了葉輪機械 內(nèi)部流動的數(shù)值模擬研究 薛敦松等用l d v 測量葉輪內(nèi)流動實驗表明較大的包角比 較小的出口角對內(nèi)流均壓化有利 3 1 李森虎等利用閃光測速儀研究了離心泵和誘導(dǎo) 輪內(nèi)部汽蝕空泡的產(chǎn)生和發(fā)展n 李文廣等利用l d v 對離心泵內(nèi)部流動測量實驗 實驗表明離心泵葉輪出口處流動是主流一尾流模型n 置1 6 1 f l u e n t 軟件廣泛應(yīng)用以后 第1 章緒論 國內(nèi)很多學(xué)者對水力機械的內(nèi)部流場進行了分析研究 國內(nèi)的戴江 吳玉林等計算過 泵葉輪內(nèi)的二維或三維粘性流動 7 18 江蘇大學(xué)袁壽其計算過低比轉(zhuǎn)速離心泵葉 輪內(nèi)的流動n9 李海峰 吳玉林運用壓力修正法對兩種離心泵的設(shè)計方案葉輪內(nèi)紊 流進行了數(shù)值模擬 通過把計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)進行對比 可以為葉輪方案的比 較和選擇提供有價值的信息圓1 國內(nèi)外的很多專家學(xué)者對離心泵的內(nèi)部流場進行了大量分析研究 大多對離心泵 內(nèi)部流場進行了定常計算 從而研究流體的壓力 速度分布以及流動中的各種現(xiàn)象 而采用非定常計算的文獻相對較少 本文對r y 型離心泵進行非定常分析計算 可以 得到離心泵的瞬時流場分布 1 3 離心泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 計算流體動力學(xué)隨著計算機技術(shù)的不斷更新而飛速發(fā)展 同時由于水力機械葉輪 內(nèi)部流場復(fù)雜多變不易用實驗手段測量 從而使得泵葉輪內(nèi)部流場的數(shù)值模擬技術(shù)得 到了更大的發(fā)展 特別是近些年來 葉輪機械的數(shù)值模擬已由原來的無粘性發(fā)展到考 慮流體粘性 原來的二維流場分析到三維流場數(shù)值模擬 c f d 作為主要流體分析方法 能推出多種優(yōu)化的物理模型 如定常流動與非定常流動 不可壓縮流動與可壓縮流動 紊流 層流 化學(xué)反應(yīng) 傳熱等 應(yīng)用c f d 軟件可以在計算機上真實反映離心泵內(nèi)流 體復(fù)雜的二維及三維流動情況 從而能分析泵內(nèi)速度及壓力等的分布 為泵的優(yōu)化設(shè) 計 改進提供理論依據(jù) 隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展 工業(yè)生產(chǎn)對葉輪機械的設(shè)計和研發(fā)提出了更加嚴格的要 求 只有研究了離心泵內(nèi)部流場分布情況和能量損失產(chǎn)生的原因 才能對葉輪機械的 結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計 從而提高葉輪機械性能 因此提高葉輪機械設(shè)計水平的關(guān)鍵是研 究葉輪機械的內(nèi)部流場 目前理論分析 實驗研究和數(shù)值模擬是用于研究分析葉輪機 械內(nèi)部流場的主要方法 數(shù)值模擬在葉輪機械的發(fā)展中起著越來越重要的作用 其顯 著特點是高效率 小投資和周期短等 葉輪機械內(nèi)部流場的數(shù)值模擬已逐漸發(fā)展為計 算流體動力學(xué)重要的應(yīng)用領(lǐng)域 葉輪機械內(nèi)部流場的數(shù)值模擬發(fā)展時期如下晗 1 無粘流數(shù)值模擬時期 無粘性數(shù)值模擬主要集中在上世紀的5 0 年代到8 0 年代 該時期數(shù)值模擬計算以 e u l e r 方程 流函數(shù)或勢函數(shù)作為控制方程進行求解 其中 吳仲華教授于1 9 5 2 年提 出了s l s 2 兩類相對流面理論 這大大影響了葉輪機械內(nèi)部流動的數(shù)值模擬研究陛2 此后 在普遍采用這種理論來模擬計算葉輪內(nèi)部流動的同時 產(chǎn)生了 些新的數(shù)值模 擬方法 比如準 f 交面法 流線曲率法等 河北工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 流線曲率法 其基本思想是 在泵的流道內(nèi)假定近似的流線 借助正交線上的 常微分速度梯度方程求解流動量新的迭代值 再依據(jù)流量等值反插方法調(diào)整各流線的 位置 迭代收斂直至達到給定的精度 陳勝利 吳達人分析得出了離心泵葉輪內(nèi)平均 相對流面的流線分布位置及速度分布 最后借助快速近似法得出了葉片表面的速度 壓力分布 最終實現(xiàn)了離心泵葉輪內(nèi)部流場的數(shù)值模擬瞳3 2 準正交面法 其基本思想是 在泵葉輪流道中從各個準正交面上分別沿s 1 s 2 流面與準正交面的交線求解速度梯度方程的積分 得到新的相對速度w 值 通過準正 交面流量相等原則修正相對速度w 值 積分之前在流道內(nèi)選定初始流線節(jié)點和相對速 度w 的分布 接著反復(fù)迭代直至得到滿足流量條件的相對速度w 分布 然后反插等分 流量點 求得流線節(jié)點新坐標(biāo) 再求新的相對速度w 分布和新的流線節(jié)點 反復(fù)迭代 至相對速度w 收斂 2 有粘流數(shù)值模擬時期 上世紀8 0 年代到9 0 年代 葉輪機械內(nèi)部流場的數(shù)值模擬開始綜合考慮內(nèi)部流場 的粘性 回流及旋渦對內(nèi)部流場的影響 更復(fù)雜的數(shù)值模擬計算方法隨著計算機技術(shù) 的快速發(fā)展也開始出現(xiàn) 主要方法有射流一尾流模型 渦量一流函數(shù)法 勢流一邊界層的 迭代解法等瞰1 這些方法在近期國內(nèi)外仍有著比較廣泛的應(yīng)用 特別是勢流一邊界層迭 代求解法 許多學(xué)者對于該方法在葉輪內(nèi)部流場計算中的應(yīng)用也作了不少研究分析 2 5 2 7 o 3 完全粘性流數(shù)值模擬時期 1 9 9 0 年開始 很多學(xué)者對葉輪內(nèi)部流場計算方法的研究開始考慮湍流運動的影 響 由此離心泵葉輪內(nèi)部流場數(shù)值模擬開始進入三維粘性數(shù)值模擬時期 該時期葉輪 內(nèi)部流場數(shù)值模擬的主流是直接求解雷諾時均化的n a v i e r s t o k e s 方程組 然后結(jié)合湍 流模型計算葉輪內(nèi)的三維粘性流動 該時期數(shù)值模擬方法主要有 1 壓力修正法 壓力修正法最早是由c h o r i n 于1 9 6 7 年和1 9 6 8 年提出的瞳8 馴 基本思想是 對給定 的壓力場按順序求解速度代數(shù)方程 得到的速度場不一定滿足連續(xù)性方程 這就需要 對給定壓力場進行修正 為此將動量方程的離散形式所規(guī)定的壓力與速度的關(guān)系代入 連續(xù)性方程的離散形式 得到壓力修 f 方程 根據(jù)壓力修 f 方程得出壓力修 f 值 進 而去改進速度 最終得到這一迭代層次上滿足連續(xù)性方程的解 然后用新的速度值去 修正動量離散方程的系數(shù) 開始下一迭代層次運算 反復(fù)直至收斂 該方法自其問世 以來在葉輪機械的內(nèi)部流場計算中得到了極廣泛的應(yīng)用 江蘇大學(xué)袁壽其借助壓力修 f 法分析研究了過低比轉(zhuǎn)速離心泵葉輪內(nèi)的流動 李海峰 吳玉林運用壓力修 f 法 對兩種離心泵日十輪內(nèi)紊流進行了數(shù)值模擬 根據(jù)訓(xùn) 算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比 為葉輪 方案的設(shè)計和比較選擇提供了有價值的理論信息瞳 2 第1 章緒論 2 時間相關(guān)法 時間相關(guān)法分為顯式和隱式兩種 顯式法優(yōu)點是計算簡單 便于矢量化 邊界條 件也容易實現(xiàn) 但條件穩(wěn)定限制 時間步長限制 限制了它的應(yīng)用范圍 隱式法允許采 用的時間步長較大 收斂速度也比較快 對穩(wěn)定及非穩(wěn)定問題的求解都很有效 3 擬可壓縮方法 葉輪機械的內(nèi)部流場介質(zhì)一般為不可壓縮介質(zhì)或介質(zhì)可壓縮性很小 甚至可以忽 略 不可壓縮流動的n a v i e r s t o k e s 方程為橢圓型方程 該方程計算速度比較慢 不能 使用推進法 為此可以通過數(shù)學(xué)處理把橢圓型方程轉(zhuǎn)變成雙曲線型方程 雙曲線型方 程格式多 計算精確 效率高 而且可以使用時間推進法求解 而擬可壓縮方法采用 高度發(fā)達的時間推進法求解 求解速度較壓力修正法快 可以求解分離流 大流動梯 度等高復(fù)雜流動問題 但是 擬可壓縮方法的最大缺點是其穩(wěn)定性和收斂性對參數(shù)設(shè) 置太敏感 需要比較高的存儲能力 在近3 0 年內(nèi) p h o e n i c s c f d f l u e n t 等大型商用計算軟件相繼問世 已 經(jīng)廣泛應(yīng)用于包括航空航天領(lǐng)域 離心泵在內(nèi)的諸多領(lǐng)域 李文廣應(yīng)用p h o e n i c s 軟件對離心泵葉輪內(nèi)部流場進行了三維紊流計算 對比分析了計算結(jié)果與l d v 的測 量結(jié)果跚1 清華大學(xué)唐輝 何楓使用f l u e n t 軟件對離心泵內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬 比較了三種計算模型的數(shù)值模擬結(jié)果 3 l 譚宗柒等使用c f d 采用多重坐標(biāo)系法 m u l t i p l er e f e r e n c ef r a m e m r f 模擬了離心泵內(nèi)流體的二維流動情況口2 1 呂培文 以煤漿離心泵內(nèi)部流場為研究對象 采用m r f 方法對離心泵內(nèi)部流場三維流動進行了 定常數(shù)值計算 得到了內(nèi)部流場的流動速度 壓力分布圖并計算預(yù)測了離心泵揚程口3 張崢采用隱式修正s m p l e c 算法 使用m r f 方法對i b 型離心泵的內(nèi)部流場進行了 三維數(shù)值模擬 并根據(jù)分析結(jié)果分析總結(jié)了離心泵內(nèi)的流體流動規(guī)律 揭示了離心泵 內(nèi)流動存在的漩渦 二次流等現(xiàn)象 圳 借助c f d 流體數(shù)值分析軟件 工作人員可以有 更多的精力考慮所計算的內(nèi)部流場問題的物理本質(zhì) 邊界條件的設(shè)置以及計算結(jié)果是 否合理等方面問題 離心泵葉輪內(nèi)部流場的研究發(fā)展趨勢如下 1 進一步研究具體應(yīng)用情況下的數(shù)學(xué)模型 在標(biāo)準湍流模型的基礎(chǔ)上 著重考 慮離心泵葉輪的曲率和旋轉(zhuǎn)對流動的影響 進一步尋求適合于離心泵葉輪內(nèi)流計算的 數(shù)學(xué)模型 迄今還不存在通用的模型 因此不同的情況需要不同的湍流模型 2 1 優(yōu)化設(shè)計 研究離心泵內(nèi)部流場的最終目的是為了提高離心泵的使用效率 節(jié) 省能源 3 計算網(wǎng)格劃分的進一步研究 在數(shù)值模擬計算過程中 網(wǎng)格生成占用計算任務(wù) 的大部分時問 而c f d 計算對計算網(wǎng)格的疏密程度要求很高 因此進一步研究討 算網(wǎng) 格自動或半自動的生成方法 可以進一步提高復(fù)雜邊界的網(wǎng)格生成質(zhì)鼉 河北工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 更有效的算法研究 目前算法研究的重點之一尋求更有效地算法 1 4 計算流體動力學(xué) c f d 技術(shù)的發(fā)展 計算流體動力學(xué) c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 簡稱c f d 是近代流體動力學(xué) 數(shù)值計算技術(shù)和計算機科學(xué)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物 主要作用是借助計算機對含有流體流 動 熱傳遞等物理現(xiàn)象的機械系統(tǒng)數(shù)值進行數(shù)值模擬 流動虛擬仿真并最終在計算機 上實現(xiàn)流場可視化 1 9 4 6 年 美國賓夕法尼亞大學(xué)研制成功了世界上第一臺電子計算機e n i a c 與 此同時 計算機之父 v o n n e u m a n n 預(yù)言 解決流體非線性問題的常用方 法一解析方法將被數(shù)值方法取代 在此后的十多年中 眾多的專家學(xué)者投入了大量的 精力在多方面展開了對數(shù)值方法和理論的研究 涌現(xiàn)出了大量的算法 為計算流體動 力學(xué)的形成打下了堅實的理論基礎(chǔ) 1 9 6 0 年以后 大容量 高速度 多功能計算機的研制及其推廣應(yīng)用 尤其是計算 技術(shù)的發(fā)展 為計算流體動力學(xué)的形成創(chuàng)造了有利條件 在此之后 相繼產(chǎn)生了不少 流體動力學(xué)的數(shù)值方法 主要有有限元法 邊界元法 裝配法 算子分裂法 分數(shù)步 法以及激波捕捉法等 與此同時 數(shù)學(xué)模型研究 離散化方法的理論分析研究和差分 方法的定性分析理論也取得了重大進展 從而為計算流體動力學(xué)數(shù)值方法的設(shè)計 選 擇和應(yīng)用提供了理論依據(jù) 對計算流體動力學(xué)的發(fā)展起到了積極的作用 如今 計算流體動力學(xué) c f d 己進入計算機數(shù)值模擬 數(shù)值實驗和計算機設(shè)計 時代 其大致可分為有限差分法 f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d f d m 有限元法 f i n i t e e l e m e n tm e t h o d f e m 和有限體積法 f i n i t ev o l u m em e t h o d f v m 三個分支 其 中有限體積法被目前的大部分商用c f d 軟件所采用 1 9 8 0 年 s v p a t a n k e r 在其專 著 n u m e r i c a lh e a tt r a n s f e ra n df l u i df l o w 中對f v m 作了全面闡述 此后該方法得 到了廣泛應(yīng)用1 35 目前針對f v m 的分析研究和應(yīng)用拓展也在進一步深化 如p c h o w 等學(xué)者提出的擴展有限體積法適用于任意多邊形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格 目前 常用的商用c f d 軟件有p h o e n i c s s t a r c d f i d a p c f x f l u e n t 其中功能最強大 適用性最 廣 國外內(nèi)使用最為廣泛是f l u e n t 1 5 本課題研究內(nèi)容 本課題研究內(nèi)容主要主要有以下幾方面 第1 章緒論 1 介紹離心泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀及計算流體動力學(xué)技術(shù)的發(fā)展 從 控制方程 湍流流動的數(shù)值模擬方法 湍流模型后處理等方面介紹了湍流流動數(shù)值模 擬理論 2 介紹了計算流體動力學(xué)的基本理論知識 闡述了流體與流動的基本特性 給出了流體動力學(xué)的基本控制方程 3 運用p r o e 造型軟件對r y 型離心泵過流部件進行實體造型 建立離心泵的 三維實體模型 4 介紹了f l u e n t 對離心泵內(nèi)部流場的數(shù)值計算過程 應(yīng)用滑移網(wǎng)格模型對離 心泵內(nèi)部湍流流動進行了非定常數(shù)植模擬 得到不同工況下各個時刻的速度分布 壓 力分布及流場分布情況 通過對數(shù)值計算結(jié)果的分析比較 揭示了離心泵內(nèi)部的流動 規(guī)律 5 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對原型號泵進行優(yōu)化設(shè)計改進 對優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模 擬 并以此為基礎(chǔ)進行離心泵的性能預(yù)測 將數(shù)值計算的預(yù)測結(jié)果與已有的實驗測試 結(jié)果進行分析比較 驗證了所采用方法的可行性和正確性 為離心泵的優(yōu)化設(shè)計研究 提供參考 1 6 本章小結(jié) 本章介紹了本課題的研究背景和研究內(nèi)容的必要性及研究意義 闡述了離心泵內(nèi) 部流動數(shù)值模擬的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 給出了本課題研究所涉及到的內(nèi)容 河北工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章離心泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬理論基礎(chǔ) 隨著科技的進步和經(jīng)濟的發(fā)展 各行各業(yè)對高性能離心泵的需求越來越多 但是 傳統(tǒng)設(shè)計方法并不能滿足這個需求 這就要求設(shè)計者采用現(xiàn)代設(shè)計方法和理論 詳盡 地掌握離心泵性能和內(nèi)部流場的分布狀況 而計算流體動力學(xué) c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s c f d 將數(shù)值計算方法和數(shù)據(jù)可視化技術(shù)有機結(jié)合起來 對流動 換熱等 物理現(xiàn)象進行模擬分析 是解決流動和換熱問題的全新技術(shù)手段 隨著計算機技術(shù)的 快速發(fā)展 目前計算流體動力學(xué)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代科學(xué)研究和工程應(yīng)用當(dāng)中 2 1 計算流體動力學(xué)理論基礎(chǔ)瞄一胡 2 1 1 計算流體動力學(xué)基本思想 c f d 的基本思想是 用一系列離散點的變量值的集合來替代原來在時間域和空間 域上連續(xù)的物理量場 通過一定的原則和方式建立能夠反映這些離散點上場變量關(guān)系 的代數(shù)方程組 最后借助于求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值 c f d 對流動過程進 行的數(shù)值模擬受流動基本方程控制 最終可以得到復(fù)雜流場內(nèi)各個位置上的基本物理 量 壓力 速度 溫度等 的分布 非定常計算情況下還可以得到這些物理量隨時間 變化的分布情況 另外 根據(jù)c f d 數(shù)值模擬結(jié)果結(jié)合c a d 軟件可以對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行 優(yōu)化設(shè)計 流動控制方程一般是非線性的 自變量多 求解域的幾何形狀和邊界條件都比較 復(fù)雜 想得到解析解很困難 而利用c f d 進行數(shù)值模擬不但可以得到滿足需要的數(shù)值 解 還可以在計算機上形象地再現(xiàn)流動情景 另外 可以在c f d 數(shù)值模擬運算時選擇 不同的流動參數(shù)進行各種數(shù)值實驗 這樣方案對比不會受到物理模型和實驗?zāi)Ｐ偷南?制 方便簡單 靈活性好 得到的資料完整詳細 與實驗室進行實驗相比 省錢省時 節(jié)約成本 當(dāng)然c f d 也存在一定的局限性 首先 它得到的計算結(jié)果是有限離散點上的數(shù)值 解 由于采用的求解方法離散近似 因此結(jié)果必定存在一定的計算誤差 其次 它需 要借助理論分析或者模型實驗提供某些流動參數(shù) 最后還需要對計算得出的數(shù)值解進 行驗證 再者 操作者的經(jīng)驗與操作技巧決定了資料的收集 整理與使用 另外 c f d 進行數(shù)值計算對計算機軟硬件配置的要求比較高 而且由于數(shù)值計算方法的原因還可 能導(dǎo)致討1 算誤差大 造成結(jié)果不真實 第2 章離心泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬理論基礎(chǔ) 2 1 2 流體與流動的基本特性 c f d 的主要研究對象是流體 流體性質(zhì)和流動狀態(tài)決定著c f d 中計算模型的選 擇設(shè)置以及計算方法的選擇 也決定數(shù)值計算中各個物理量的分布情況 1 理想流體與黏性流體 黏性應(yīng)力是指流體在運動時對相鄰兩層流體間相對運動的抵抗力 黏性是指流體 抵抗變形的性質(zhì) 即流體具有的這種抵抗兩層流體間相對滑動的能力 流體性質(zhì)決定了流行黏性的大小 并且流體黏性大小與流體溫度有關(guān) 隨著流體 溫度的變化而顯著變化 無黏流體 也叫做理性流體是指流體無黏性 即在流體的黏 性較小 運動的相對速度也不大情況下 流體的黏性應(yīng)力相比其他類型力 比如慣性 力 可以忽略不計 這時可以近似認為流體無黏性 相反 黏性較大的流體 則稱為 黏性流體 2 牛頓流體與非牛頓流體 流體劃分為牛頓流體和非牛頓流體的依據(jù)是即流體是否滿足牛頓內(nèi)摩擦定律 符合 牛頓內(nèi)摩擦定律 切應(yīng)力與速度梯度成正比的流體稱為牛頓流體 相反 流體內(nèi)部切 應(yīng)力與速度梯度不是線性分布 不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為非牛頓流體 3 可壓流體與不可壓流體 流體劃分為可壓流體與不可壓流體的依據(jù)是流體壓縮性的大小 流體密度隨壓強 變化較大且不可視為常數(shù)的流體稱為可壓流體 相反 流體密度隨壓強變化較小甚至 可以看作常數(shù)的流體稱為不可壓流體 一般情況下流體運動都可視為不可壓流體進行分析計算 水擊現(xiàn)象除外 低速 氣體在v 5 0 m s 情況下也可視為不可壓流體 這是因為低速氣體的壓強與溫度在流動 過程中變化很小 它的密度變化也比較小 可以近似看作常數(shù) 但是高速氣流則需要 作為可壓流體來處理 4 定常流動與非定常流動 流體流動的物理量 如速度 壓力等 是否隨時間變化是流動分為定常流動和非 定常流動的劃分依據(jù) 定常流動情況下流體中各個物理量不隨時間變化而改變 因此 定常流動也叫做恒定流動或穩(wěn)態(tài)流動 非定常流動情況下流體中的物理量隨時間變化 而變化 因此 非定常流動也叫做非恒定流動或瞬態(tài)流動 流體機械在正常運轉(zhuǎn)情況 下可以看作定常流動 但是在啟停機時 流體流動一 般是非定常流動 5 層流與湍流 流體流動時在自然界中的存在形式主要是層流和湍流 一般情況下 層流只是特 殊情況 而湍流則是普遍存在 河北工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 3 流體動力學(xué)的基本控制方程 流體流動所遵循的基本守恒定律包括 質(zhì)量守恒定律 動量守恒定律 能量守恒 定律 這些守恒定律用控制方程來描述 1 質(zhì)量守叵方程 任何流動問題都滿足質(zhì)量守恒定律 基本含義是指單位時間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量 的增加等于同一時間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量 控制方程如下 i o p 譬 挈 挈 0 2 1 8 t 瓠跏娩 定義矢量符號斫v 口 冬 要 冬 上式 2 1 可改寫成 等 d v 0 2 2 在上述式子中 p 密度 r 時間 u 速度矢量 方程 2 1 是瞬態(tài)三維可壓流體的連續(xù)性方程 如果流體屬于不可壓縮流體 則 密度p 為常數(shù) 式 2 1 變?yōu)?罷 譬 娑 0 0 2 3 i l 優(yōu) o y c 7 z 如果流體密度不隨時間變化而改變 式 2 1 變?yōu)?掣 挈 挈 0 2 4 a 一 7 2 動量守恒方程 動量守恒定律實際上就是牛頓第二定律 基本含義是指外界作用在微元體上的各 種力之和等于該微元體中流體動量對時間的變化率 因此 可以寫出x y 和z 方向 上的動量守恒方程 即 警砌 訓(xùn) 一罷 孥 等 誓 c 泣5 a 等脅 訓(xùn) 一考 誓 孥 誓 e 沼5 b 百o p u d i v 小一詈 魯 等 誓 c 2 5 c 上式中 p 誡體中微元體上的壓力 p a r w r 彳 因分子黏性作用產(chǎn)生的作用在微元體表面上的黏性應(yīng) 力f 的分量 f f f 微元體上3 個方向的體積力 若體積力只受重力 r z 軸豎直向上 則有e 0 e 0 t p g 式 2 5 a 2 5 b 2 5 c 的動量守恒方程對任何類型的流體 包括非牛頓流 體 都成立 對于牛頓流體 有 鏟2 喀 肋v l0 x 礦2 孝 樅1 丁 2 瓦o w 勵v f 掣可 叫i 萬 瓦o v j r 拋 i 鏟鏟 老 蕓 t y z t z y 叫i 瓦o v 萬o w j f1 式中 動力黏度 五 第二黏度 一般情況下取兄 一2 3 將式 2 6 帶入 2 5 可得 等砌 甜 瑚v 咿咖 一罷城 等砌v 擾 瑚v o t g r a 咖 一考 s 等 咖 疣v 礦日咖 一罷o z s c 2 6 2 7 a 2 7 b 2 7 c 式中 礦酬 掣 掣 業(yè)8 z 符號趴s 那 代表動量方程的廣義源項 s f s s f sv s 二 c 5 二 其 p s s 和s 二可用如下公式表示 河北工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 j 吳f 熹1 熹f 票 曇f 豢1 曇 砌v 甜 2 8 a 虬2 瓦l 瓦 j 萬l 瓦 l 瓦l 瓦j 瓦 砌例 曠甜針甜撲 豺?qū)Ｃ{ s y2 瓦l 萬j 萬l 萬j 瓦 萬j 萬呦 j j 曇 老 曇 老 丟卜老 曇 勵v 甜 2 瓦 瓦j 萬i 瓦j 瓦p 瓦j 瓦愀例 2 8 b 2 8 c 通常情況下 s s y 和s 為小量 特別對于黏性為常數(shù)的不可壓縮流體 有 s s s u 7 5 程t 2 4 7 明展升彤瓦如卜 煎型 皇幽 a p u v 墊 o t8 x a y 8 z 丟 罷 茜 孝 魯 老 一塞 甌 型 塹塵 墮型 a c o o t舐 砂8z 曇 喀 專 磅 魯 老 一考 s y 塹 煎型 煎型 趔 o t8 x a y 8 z 曇 蕓 號卜茅 魯 罷 一考 疋瓦l 瓦 j 萬l 萬j 瓦p 瓦j 一舌檔z 式 2 7 及 2 9 為動量方程 也稱作n a v i e r s t o k e s n s 方程 2 9 a 2 9 b 2 9 c 3 能量守恒方程 具