畢業(yè)設計答辯PPT

1、離心泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬研究答辯人：指導老師：專業(yè)：過程裝備與控制工程課題主要內(nèi)容借助于ANSYS軟件平臺通過建立離心泵葉輪和蝸殼模型，實現(xiàn)其內(nèi)部流場的模擬分析，分析操作條件改變時其內(nèi)部流場變化規(guī)律論文框架 第一章 緒論 第二章 本課題研究對象及所用軟件介紹 第三章 離心泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬理論基礎 第四章 離心泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬 第五章 結論第一章 緒論1.1 離心泵背景的介紹離心泵背景的介紹泵是將原動機的能量傳遞給所運送的液體，離心泵是一種時間久遠而實用性很廣泛的水力機械，歷史上第一臺離心泵是公元前5世紀葡萄牙人所用的排水離心泵，離心泵的應用遍及于給排水，農(nóng)業(yè)，工業(yè)，航空，航海，車輛，能

2、源等。并且隨著科技的發(fā)展，離心泵的適用范圍正在飛速的擴大，環(huán)境也越來越復雜。離心泵的運行消耗巨大的能量,根據(jù)官方會議報告，我國每年泵消耗的電量大約是全國總消耗電量的20%，其中離心泵消耗的電量就占總發(fā)電量的10%以上，但是離心泵的結構相對簡單、適用范圍非常廣，運轉比較安全，操作簡單，維修方便。截止現(xiàn)在，對離心泵的研究做的還不是很到位，所以對離心泵進行研究具有很大的前景和現(xiàn)實意義。就目前而言，對于離心泵內(nèi)部流體規(guī)律的認知還相當于萌芽階段，現(xiàn)在對離心泵的設計還不是很成熟,沒有一套簡潔成熟的理論,這樣就讓離心泵的設計過程非常復雜并且浪費時間,并且對于人力，物力和財力都有不同程度的損耗。所以,我們通過

3、設計參數(shù)對離心泵的各方面性能做較為全面的預測，就可以處理好這些問題了。離心泵的內(nèi)部結構非常復雜，所以它內(nèi)部流體的流場分布也非常繁雜,這也給研究離心泵內(nèi)部流場流動的情況帶來很大困難。這些年，世界上對于離心泵內(nèi)部流場的研究分析收獲到了很大的成果。在很早以前，主要是通過實驗測得流體流場的內(nèi)部分布情況,用這種方法來確定離心泵內(nèi)部結構的合理性是否達標。這些年來,LDV、PDV、PLV、PIV技術的飛速進步，更加豐富了離心泵的內(nèi)部流場的測量,但是這些測試方法要求大量地財力而且要求擁有比較熟悉的試驗技術。離心泵的內(nèi)部流場數(shù)值模擬研究已經(jīng)相對比較成熟。對于離心泵的內(nèi)部流場的數(shù)值模擬，實現(xiàn)對離心泵的設計的優(yōu)化，

4、使離心泵的水利性能良好，從而使他達到增效的目的，使非常有意義的。并且借助于CFD模擬的先進的設計方法還能用來彌補以前的設計方法的不足之處，這樣我們就可以研究出效率比較高的離心泵，這些方法會對泵的設計研發(fā)帶來非常大的影響。 1.2 本課題的研究背景及意義本課題的研究背景及意義在我國的石油系統(tǒng)方面，離心泵作為產(chǎn)油地剛挖掘出的石油比較短距離輸送、石油的管道的比較長距離運送和石油化工中的重要運送裝備，離心泵的結構比較簡單，操作比較方便，還具有運轉很平穩(wěn)，維護比較方便的好處。所以，它在石油開采方面，運輸中和原油的精煉方面實用性非常高。石油方面中常用的離心泵一般為鍋殼式離心泵。外離心泵具有效率低、功率大、

5、耗電高等許多特點。而且，離心泵功率消耗已經(jīng)很大，幾乎接近999KW。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，到現(xiàn)在為止，油田上所使用的泵的耗電量基本是總耗電量的百分之十二，并且離心泵的耗電量是其中最大的。通過對遼寧遼河油田泵的調(diào)查總結，對隨便抽查的十五臺離心泵進行查看、總結、計算，研究說明基本上一臺離心泵浪費功率高達百分之十三，產(chǎn)油地就光憑這方面，每年被浪費掉的電功率就是四千五百萬度電，現(xiàn)在石油工業(yè)處于高速發(fā)展的階段，離心泵越來越離不開，但是現(xiàn)在的離心泵都有一個問題，那就是效率太低。所以，讓離心泵的效率變高，把離心泵對于電能方面的消耗，這樣會讓國家的經(jīng)濟效益提高，對很多方面都有很大的幫助。本次畢業(yè)設計我用工業(yè)常用的RY

6、型離心泵為目標，這種系列泵在各個方面算是比較先進和良好地，對于泵的操作相對比較方便，這種泵適合運送液體，溫度相對比較高的東西，在石化，機械，合成纖維，油脂，紡織印染，造紙，塑料及橡膠，木材，建筑等各個行業(yè)應用都非常廣泛。在現(xiàn)實生活中，離心泵的能量損耗比較大，所以就變得可使用能量率相對比較低，離心泵作為現(xiàn)在還欠發(fā)達的設備，現(xiàn)在外面賣的離心泵的效率都差不多，比較底下，這樣就對能量造成了極大地浪費，這次畢業(yè)設計主要研究離心泵的內(nèi)部流場，表現(xiàn)出離心泵瞬間的流場的分布規(guī)律，在我們了解了離心泵內(nèi)部之后，我們就可以根據(jù)他的優(yōu)缺點來優(yōu)化他，然后就可以讓他的效率提高，降低經(jīng)濟成本，提高純利潤。1.3 國外離心泵

7、技術的發(fā)展國外離心泵技術的發(fā)展在很多年以前，就有不少人對離心泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬研究作了分析。他們用當時所運用的方法來試驗，用來了解離心泵葉輪內(nèi)液體的運行和理想運行之間的差別，八十年代中葉，一個西方的學者用很古老的計算機對一個外瓊流動的數(shù)值計算完成了。1958年，有兩位科學家通過大量的實驗證明，在很大的空間里面，葉輪的吸力面是離心泵內(nèi)能量損失最大的地方。FOELER科學家在二十世紀八六年發(fā)現(xiàn)葉輪流體出口跟前的壓力遠遠大于吸入的一面，和他剛開始預測的哪方面的理想情況剛好相反。這兩位科學家通過實驗發(fā)現(xiàn)了離心泵葉輪內(nèi)部流速和流量對尾跡的影響。他們也通過實驗表明了離心泵葉輪內(nèi)部的流速和流量與鍋殼之間的流

8、動的干擾，他們通過實驗發(fā)現(xiàn)了壓力面的波動小于吸力面的壓力波動。吸力面進口處的壓力最大。西方有很多科學家先后對渦殼的葉輪內(nèi)部的流量進行了研究，通過多次的實驗分析說明，兩個結構之間的間隙到達了某一個值以后，離心泵內(nèi)部鍋殼的流量流速對葉輪內(nèi)部的流量流速的干擾不會太明顯，但是離心泵內(nèi)部的葉輪內(nèi)流體流出依然不對稱。西方科學家運用先進的技術對擁有擴壓氣的離心泵里面的轉子和靜子一起影響，對于造成的不同的現(xiàn)象進行分析，研究。1.4 國內(nèi)離心泵技術的發(fā)展國內(nèi)離心泵技術的發(fā)展很多年以前，我國的科學研究人員就對離心泵內(nèi)流體流動的檢測比較進行了研究和分析。二十世紀五十年代，吳中華教授提出了一個通用理論，他就是相對流面

9、，這個理論對離心泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬研究影響是巨大的。江蘇某大學的一位教授對另外一種離心泵的模擬研究進行了計算，李海峰，吳玉林教授采用壓力修正法對不同的兩種離心泵進行了分析研究。這些教授都為離心泵方面的發(fā)展做了很多的貢獻，國內(nèi)外很多這方面的教授都對離心泵做了大量的數(shù)值模擬研究，大多數(shù)專家都為離心泵內(nèi)部流場做了很多的研究分析，因為前輩們的不舍和進取，所以離心泵方面現(xiàn)在取得了較大的進步。研究出了壓力，流速，流量等各個方面的表象，本次畢業(yè)設計我采用RY型離心泵研究。第第2章章 本課題研究對象及所用軟件本課題研究對象及所用軟件介紹介紹2.1 FLUENT軟件介紹軟件介紹FLUENT軟件是一款在國際上比

10、較受歡迎的軟件，它是一種CFD軟件包。在國際上的占有率高達百分之六十。他是二十世紀九十年代FLUENT公司推出來的。它是一款模擬軟件，可以用來模擬從不能壓縮的流體到能夠高度壓縮的流體。它在不同的情況下，都有適合的方法來建立模型和比較流暢的進行數(shù)值計算。它能把各種外形的流體進行模擬。用FLUENT解決流體的數(shù)值模擬研究常用的三部分有前處理軟件、求解器以及后處理軟件。FLUENT軟件一般包括三種算法：非耦合隱式算法，耦合顯式算法，耦合隱式算法。在商用軟件中運用的很頻繁。FLUENT軟件適合于牛頓流體和非牛頓流體。含有混合對流的熱傳導，流體的輻射。該軟件可以進行離散項的拉格朗日跟蹤計算。風扇，散熱器

11、，以熱交換器為對象的集中參數(shù)模型；適用于慣性和非慣性坐標系，復數(shù)基準坐標系及滑移網(wǎng)格。2.2 有限元分析方法的介紹有限元分析方法的介紹有限元分析方法指的是將一個整體結構的東西分散化，用一個或者幾個很容易研究的單元體來形象的表示整體的結構，用來研究的部分，每個單元體與單元體相互用節(jié)點來連接起來，繼而我們在計算求解，因為所研究的對象被選取的單元體的數(shù)目是一定的，所以我們把它稱之為有限元分析方法。我們運用有限元分析以后，就可以大概知道被研究的單元體在運行時的受力，根據(jù)這個作為判斷根據(jù)，來說明他是不是合格。有限元分析方法是根據(jù)數(shù)值來進行分析評定的，有很多被研究的對象的結構或者形狀是非常復雜的，這時候我

12、們可以采用有限元分析方法，它是比較合理精確地。有限元分析方法在設計，生產(chǎn)制造等許多地方都有牽扯和運用，有限元分析方法在許多領域已經(jīng)從剛開始比較淺薄的分析變成了優(yōu)化，在工程的運營上已經(jīng)很成熟，現(xiàn)在流行的就是ANSYS軟件。2.3 用用FLUENT建立葉輪模型建立葉輪模型離心泵的葉輪基本上都是由前蓋板和后蓋板以及許多葉片組成在一起的。想要做離心泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬研究，必須在ANSYS中的FLUENT上先建立葉輪模型。點擊電腦左下角開始，點擊所有程序，選擇ANSYS15.0，選擇點擊workbench15.0，雙擊fluid flow(fluent),再次雙擊A2 Geometry建立葉輪模型，選

13、擇XY平面，點擊Extrude，點擊Apply，畫圓，依次建立葉輪模型，建立的初步模型如下圖2-3-1所示：圖2-3-1圖2-3-2由于離心泵模型為三維的幾何模型，不方便劃分區(qū)域，故去掉蝸殼，直接研究離心泵內(nèi)部的模擬，如圖2-3-2所示：但是葉輪不能裸露在外，進一步進行的葉輪模型如下圖2-3-32.4 網(wǎng)格的劃分網(wǎng)格的劃分本次課題是對離心泵進行二維的數(shù)值模擬研究，因為要做離心泵整個機構的數(shù)值模擬，而且離心泵的幾何模型的它的邊界條件比較復雜。所以在劃分網(wǎng)格的時候就采用分塊劃分的辦法，把葉輪中流體的流動區(qū)域和竅殼中流體的流動區(qū)域分別劃分為兩個網(wǎng)格。在用FLUENT模擬研究的過程中，我順利地對葉輪進

14、行了網(wǎng)格劃分，在制作網(wǎng)格的時候，我先進行了區(qū)域的劃分，如圖2-4-12-4-3：圖2-4-1圖2-4-2圖2-4-3在區(qū)域劃分完成以后，然后進入Mesh進行網(wǎng)格劃分，首先我們需要插入一個葉輪內(nèi)部的流體區(qū)域的劃分方法，然后在這個區(qū)域內(nèi)添加邊界條件，保存，名字設置為葉輪，然后設置第一層邊界的厚度為0.0002毫米，一共有五層，然后添加外部流體區(qū)域的劃分方法，對它添加一個約束，外部流體外邊全部以四邊形進行劃分，內(nèi)部全部以三角形進行劃分，然后設置添加網(wǎng)格的尺寸，這樣就可以開始生成，生成的初步的網(wǎng)格圖片如下：圖2-4-4生成的網(wǎng)格比較粗糙，然后要對其調(diào)整，使網(wǎng)格加密。加密之后的網(wǎng)格如下圖所示：圖2-4-

15、5圖2-4-6圖2-4-7網(wǎng)格加密好了以后保存所加密的網(wǎng)格，然后點擊setup進入fluent界面進行相應的數(shù)值模擬研究。第第3章章 離心泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬理論離心泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬理論基礎基礎這些年，世界上科學領域的各個方面都飛速的發(fā)展，很多行業(yè)對好點的離心泵的需要也很多。只是以前的離心泵已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在各行業(yè)的需求，這樣就對現(xiàn)在設計的離心泵要求更高了，設計者必須參考現(xiàn)代的設計方法和適用范圍，要求對離心泵的各個方面都了解的特別清楚。因為離心泵在很多行業(yè)是離不開的，離心泵的參與大大地減低了成本，也就是提高了投資者的效益，現(xiàn)在隨著計算機的飛速發(fā)展，離心泵的性能也需要上升。3.1 計算流體動力

16、學理論計算流體動力學理論基礎基礎3.1.1 計算流體動力學基本思想計算流體動力學基本思想CFD的介紹：用很多不同的點的變量集體替換原來時間和空間的物理量，用合適的方法創(chuàng)立能說明問題的關系的方程組，然后用方程組求出來他的變化的大概值。CFD對流體的流動過程受到了我們所設置的方程的約束，到了最后我們就能夠看到流場的每個區(qū)域的大概受力分布，并且在沒有固定考核下，能發(fā)現(xiàn)受力隨時間的變化而變化，最后，可以用數(shù)值模擬研究得出的結果再和軟件分析所合并再進一步改良。流動的控制方程基本上都是曲線的，變化的量比較多，被研究的那部分的形狀和便捷的條件很繁瑣，最后想得到正確的結果比較復雜。所以人們選擇了數(shù)值模擬，既可

17、以得到答案，又能夠得到圖像，在變化參數(shù)的同時，能夠對各種數(shù)值進行模擬。這樣不會受到形狀的牽扯，非常方便，靈活。3.1.2 流體流動的基本特性流體流動的基本特性CFD主要是用來解決流體問題的，如果流體的性質(zhì)不同，流動的狀態(tài)也不同那么計算機里面模型和計算方法也不同，他們不同，每個數(shù)值的物理分布也不同。理想流體與黏性流體：黏性應力指的是流體在動態(tài)中對旁邊兩層流體相對運動的抵抗力。黏性力指的是流體抵抗變形所產(chǎn)生的力，也就是每個流體都有抵抗流體滑動的力量。流體的粘性大小和當時所處的溫度沒有關系，溫度變化，對他的粘性幾乎沒有什么影響。理想流體：指的是流體的黏性非常小，可以不考慮它的黏性。在流體的運動相對比

18、較緩慢的情況下，流體的粘性應力可以忽略不計。3.2 流體動力學的基本控制方程流體動力學的基本控制方程3.2.1 設置參數(shù)設置參數(shù) 本文在研究離心泵的內(nèi)部流場，該泵是由葉輪和靜止的蝸殼組成，流體從葉輪中央的圓形進口沿徑向均勻葉輪，該離心泵的葉片數(shù)為6，幾何參數(shù)如圖3-2-1-1所示：表3-2-1-1 參數(shù)表名稱名稱數(shù)值數(shù)值葉輪進口直徑葉輪進口直徑69mm葉輪出口直徑葉輪出口直徑69mm葉片進口安放角葉片進口安放角20葉片出口安放角葉片出口安放角25葉片厚度葉片厚度3mm離心泵外徑離心泵外徑240mm離心泵內(nèi)徑離心泵內(nèi)徑100 葉輪轉速 2rad/s3.2.3 設置邊界條件設置邊界條件邊界條件指的

19、是在確定控制方程以后，需要你給出的定解條件。非定常問題剛開始提出的起始條件一般是用實驗得出的，只要在條件允許范圍之內(nèi)對計算結果不會有太大影響就行了，；定常問題的控制方程是曲線或者折線的，所以不用給出初始條件，只需要給出剛開始設定的值進行迭代求解就行了。本次所模擬的離心泵一共分為兩個區(qū)域，蝸殼到葉片所劃過的圓所組成的圓環(huán)為一個區(qū)域，葉片所劃過的圓到離心泵最內(nèi)部為另外一個區(qū)域。把外區(qū)域稱為fluid-outner，把內(nèi)區(qū)域稱為fluid-inner3.2.4 離散方法離散方法 用離散方法對流體的流動進行數(shù)值模擬時要對控制方程作出相應的離散。我們經(jīng)常會用到的離散方法有：有限差分法、有限體積法、有限解

20、析法和有限元法等。有限差分法是幾種離散法里面最簡單方便的，有限差分法用有限差分操縱控制方程的導數(shù)項，用他的差分的誤差判斷精確程度，但是它只適用于比較均勻的網(wǎng)格。有限體積法具有非常堅實的數(shù)學基礎，它的物理背景也很明確。有限解析法在區(qū)域內(nèi)來離散控制方程，運用控制體邊界信息比較多，所以計算量非常大，花費的時間很大。第第4章章 離心泵內(nèi)部流場的離心泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬數(shù)值模擬4.1 設置計算模型設置計算模型FLUENT軟件打開時，在啟動界面有四種求解器，分別為二維單精度求解，二維雙精度求解，三維單精度求解和三維雙精度求解。一般在求解時選擇單精度求解，因為方便，占用內(nèi)存小，計算快。本文采用二維單精度求解

21、。計算模型設置如下：（1）求解器選擇，F(xiàn)LUENT軟件擁有壓力求解器和密度求解器兩種，壓力求解器的用途主要用在不可壓流體上，密度求解器主要用在可壓流體上。本次我主要用壓力求解器。（2）運行參考壓力使用標準大氣壓，不考慮重力與熱交換。（3）物性選擇。本次研究的離心泵是RY型離心泵，用的介質(zhì)是清水。4.2 設置求解控制參數(shù)設置求解控制參數(shù) （1）收斂判斷依據(jù)為0.001，其他的參數(shù)都采取默認值。 （2）定義求解殘差監(jiān)視器，Option選項選擇Plot，其他的都是默認值。4.3 迭代結果與分析迭代結果與分析在經(jīng)過多次數(shù)值模擬以后，得出了不同時刻速度，壓力，湍動能的分布云圖。圖4-3-1 t=5s時的

22、速度分布云圖圖4-3-2 t=15s時的速度分布云圖圖4-3-3 t=25s時的速度分布云圖圖4-3-4 在不同時刻的速度分布折線圖圖4-3-5 在t=5s時的壓力分布云圖圖4-3-6 在t=10s時的壓力分布云圖圖4-3-7 在t=15s時的壓力分布云圖圖4-3-8 在t=20s時的壓力分布云圖圖4-3-9 在t=25s時的壓力分布云圖圖4-3-10 在t=30s時的壓力分布云圖圖4-3-11 在t=5s時的湍動能分布云圖圖4-3-12 在t=10s時的湍動能分布云圖圖4-3-13 在t=15s時的湍動能分布云圖圖4-3-14 在t=20s時的湍動能分布云圖以上為離心泵在運轉時不同時刻，對離心泵內(nèi)部的壓力，速度，湍動能的模擬圖片。在時間改變的基礎上，我們再對離心泵葉輪的轉速進行改變，得到了隨著葉輪轉速的改變，離心泵內(nèi)流體的速度，壓力，湍動能而改變的云圖。如下：圖4-3-15 當轉速為0.2rad/s時，速度的分布云圖圖4-3-16 當轉速為0.3rad/s時，速度的分布云圖圖4-3-17 當轉速為0.4rad/s時，速度的分布云圖圖4-3-18 當轉速為4rad/s時，湍動