離心泵壓力脈動的特性分析和測試分析研究機械制造專業(yè)

1、摘要離心泵在產(chǎn)生靜態(tài)壓力分量的同時還產(chǎn)生動態(tài)壓力分量，也就是壓力脈動，壓力脈動象交流信號一樣疊加在靜態(tài)壓力分量上。離心泵大多采用螺旋型蝸殼 ，蝸殼與隔舌的不對稱性造成葉輪出口流動的環(huán)形畸變，尤其是在非設(shè)計工況點時，畸變更為劇烈，因此在設(shè)計主軸時，必須考慮由于壓力分布不平衡引起的脈動特性。離心泵內(nèi)的壓力脈動是極其復雜的，對同一臺泵，不同工況呈現(xiàn)不同性質(zhì)的壓力脈動。泵內(nèi)部流場非定常的湍流特性、葉輪與進水管的動靜干擾、渦流及回流等都可能引起壓力脈動，該壓力脈動激發(fā)泵體和管道的機械振動，影響泵的正常運轉(zhuǎn)，降低了泵的使用壽命；如果這種激勵振動的頻率接近泵的主頻，還會發(fā)生共振，振動會在相鄰的環(huán)境介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生

2、聲壓波動，產(chǎn)生很大的噪聲?？梢?，泵內(nèi)壓力脈動是影響水泵運行穩(wěn)定性的重要因素，也是導致噪聲污染的重要原因。因而，對泵內(nèi)部壓力脈動進行研究，降低泵的振動噪聲成為當前研究的重要任務之一。本文首先應用CFD（Computational Fluid Dynamics）技術(shù)Fluent軟件 ，在多工況下同時監(jiān)測葉輪流道與蝸殼內(nèi)壓力脈動的情況，以揭示壓力脈動與離心泵性能之間的關(guān)系，為進一步預測離心泵非定常流動誘發(fā)壓力脈動提供依據(jù)。為了研究離心泵在不同工況下以及不同位置間壓力脈動的變化規(guī)律及其關(guān)系，基于標準 k-湍流模型和滑移網(wǎng)格模型，應用Fluent軟件對離心泵內(nèi)部流場先后進行定常與非定常三維模擬，得到大致

3、的內(nèi)部流場特性及監(jiān)測點的壓力脈動情況。計算結(jié)果表明：在小流量工況下，由于內(nèi)部流場的不穩(wěn)定運行各監(jiān)測點處的壓力脈動都比較大且不均勻；在葉輪流道中，接近葉輪出口處的壓力脈動明顯高于葉輪流道其他區(qū)域壓力脈動。大流量工況下在蝸殼隔舌和出口處會產(chǎn)生一定回流導致蝸殼該處附近壓力脈動表現(xiàn)不穩(wěn)定。蝸殼隔舌處由于該位置流域比較復雜壓力脈動較大；蝸殼出口處的波動情況非常平緩，這主要是因為蝸殼出口段的緩沖與穩(wěn)流作用。其次進行測量系統(tǒng)的方案設(shè)計，先對壓力變送器和數(shù)據(jù)采集模塊的參數(shù)進行充分的了解，完成二者的硬件選型以及電路接線圖的構(gòu)造。再利用Labview軟件編寫上位機界面，通過設(shè)置采樣頻率、采樣數(shù)據(jù)點、采集量程等操作

4、完成8條通道數(shù)據(jù)的采集和曲線的顯示，且保存數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：離心泵，壓力脈動，定常模擬，非定常模擬，上位機界面55AbstractCentrifugal pump produces static pressure components and produces dynamic pressure components，that is，pressure pulsation. Pressure pulsation is superimposed on static pressure components just like AC signals. Most of the spiral volute ce

5、ntrifugal pump，volute ring distortion and asymmetry of the tongue caused by impeller exit flow，especially in the non design condition，the distortion is more violent，so in the design of the spindle，the pressure must be due to the unbalanced distribution of fluctuation caused by considering. The press

6、ure pulsation in the centrifugal pump is extremely complex，and the pressure pulsation of the same pump is different in different working conditions. Pump internal flow field and unsteady turbulent characteristics，the impeller and the water inlet pipe of the rotor stator interaction，eddy current and

7、reflux may cause pressure pulsation，mechanical vibration of the pressure pulsation excitation pump and pipeline，affect the normal operation of the pump，reduce the service life of the pump； if the excitation frequency is close to the frequency of the pump. The resonance vibration will occur，will prod

8、uce pressure fluctuations in the ambient medium adjacent，have a great noise. It can be seen that the pressure pulsation in the pump is an important factor affecting the stability of the pump operation，and is also an important cause of noise pollution. Therefore，it is one of the important tasks to st

9、udy the pressure pulsation in the pump and reduce the vibration noise of the pump.This paper first applies CFD technology FLUENT software to monitor the pressure pulsation in impeller and volute simultaneously under multiple conditions，so as to reveal the relationship between pressure pulsation and

10、centrifugal pump performance，and provide a basis for further prediction of unsteady flow induced pressure pulsation in centrifugal pumps. In order to study the centrifugal pump under different working conditions and the variation of pressure fluctuation between different locations and their relation

11、ship，standard k- turbulence model and sliding mesh model based on the application of FLUENT software on the internal flow field of centrifugal pump has steady and unsteady three-dimensional simulation，get the pressure pulsation of internal flow characteristics and monitoring points of the roughly. T

12、he calculation results show that under the condition of small flow rate，the pressure pulsation at each monitoring point is large and uneven due to the unstable internal flow field，and the pressure pulsation near the impeller outlet is significantly higher than that in other regions of impeller passa

13、ge. Under the large flow condition，there will be a certain reflux in the tongue and outlet of the volute，which results in the instability of the pressure fluctuation near the worm shell. Because of the complex pressure pulsation at the location of the basin，the fluctuation of the outlet of the volut

14、e is very gentle，which is mainly due to the buffering and steady flow of the outlet section of the volute.On the other hand，on the design of the measurement system，we fully understand the parameters of the pressure transmitter and data acquisition module，and complete the hardware selection of the tw

15、o parts and the construction of the wiring diagram. Then we use LabVIEW software to write the upper machine interface. We set up sampling frequency，sampling data points and collecting ranges to complete the 8 channel data collection and curve display，and save data.Keywords：centrifugal pump, pressure

16、 fluctuation, Constant simulation, Unsteady simulation, Unsteady simulation目錄目錄摘要IAbstractII第一章 緒論11.1 課題的研究背景及意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.2.1 國外研究現(xiàn)狀21.2.2 國內(nèi)研究進展31.3 論文工作的主要內(nèi)容4第二章 泵內(nèi)流動數(shù)值計算方法及壓力脈動的相關(guān)理論52.1 離心泵的三維建模52.1.1 葉輪實體模型的建立52.1.2 蝸殼實體模型的建立62.1.3 進水管實體模型的建立72.1.4 元件的裝配82.2 數(shù)值計算方法概述92.2.1 流動控制方程102.2.2 旋轉(zhuǎn)

17、區(qū)域中流動問題的建模122.2.3 湍流模型132.2.4 求解控制142.3 離心泵的網(wǎng)格劃分152.3.1 網(wǎng)格相關(guān)問題的概述152.3.2 網(wǎng)格劃分162.4 離心泵壓力脈動的分類182.5 離心泵壓力脈動的產(chǎn)生192.5.1 動靜干擾引起的壓力脈動192.5.2 二次流引起的壓力脈動202.5.3 汽蝕引起的壓力脈動212.6 壓力脈動的分析方法212.6.1 時域法212.6.2 頻域法222.7 本章小結(jié)23第三章 離心泵內(nèi)三維數(shù)值特性分析243.1 定常數(shù)值模擬243.1.1 網(wǎng)格檢查243.1.2 設(shè)置求解器與計算模型253.1.3 設(shè)置邊界條件253.1.4 設(shè)置檢測器與計算

18、263.1.5 不同工況下數(shù)值模擬結(jié)果分析273.2 非定常數(shù)值模擬313.2.1 計算方法313.2.2 壓力脈動特征參數(shù)的確定323.2.3 壓力脈動監(jiān)測點位置的設(shè)定323.2.4 時間步長及采樣頻率的確定333.2.5 不同工況下數(shù)值模擬結(jié)果分析34第四章 測量系統(tǒng)的方案設(shè)計444.1 系統(tǒng)要求444.1.1 總體要求444.1.2 系統(tǒng)功能要求454.1.3 系統(tǒng)技術(shù)指標454.2 硬件設(shè)計464.2.1 變送器464.2.2 信號調(diào)理模塊474.2.3 數(shù)據(jù)采集卡484.2.4 電路接線圖494.3 軟件設(shè)計504.4 USB數(shù)據(jù)通信514.5 界面設(shè)計和程序打包53第五章 結(jié)論與展

19、望555.1 結(jié)論565.2 展望57第1章 緒論第1章 緒論離心泵主要用來在某一流量下產(chǎn)生一個穩(wěn)定的壓力差以達到輸送介質(zhì)的目的 ，理想的流量與揚程曲線給人的感覺是在某一流量點揚程是靜態(tài)的。事實上，泵在產(chǎn)生靜態(tài)壓力分量的同時還產(chǎn)生動態(tài)壓力分量，也就是壓力脈動。壓力脈動象交流信號一樣疊加在靜態(tài)壓力分量上。離心泵內(nèi)的壓力脈動是極其復雜的，不同的離心泵可能表現(xiàn)不同種類的壓力脈動，即使對同一臺離心泵，當處于不同工況時也可能呈現(xiàn)不同性質(zhì)的壓力脈動。因此，離心泵內(nèi)壓力脈動的定義必須包含隨機脈動和周期脈動兩種。設(shè)p為離心泵內(nèi)某點的壓力，若對于任意的時間t和充分大的周期T，有平均壓力基本不隨時間而變化。令，則

20、即為離心泵內(nèi)某點的壓力脈動。這些壓力脈動是由葉輪進出口回流、汽蝕等非期望的流動特性形成的。離心泵工作過程中，一定后緣厚度、一定數(shù)量的葉片會產(chǎn)生離散頻率的壓力脈動。而且偏工況時的脫流所引起的紊流，也會產(chǎn)生寬頻帶的壓力脈動 。寬頻帶的和離散頻率的壓力脈動都和進口管、葉輪、靜子（導葉或蝸殼）的水力設(shè)計有復雜的關(guān)系。至今沒有一個精確的理論來預測壓力脈動的大小。1.1 課題的研究背景及意義隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們對泵的可靠性和噪聲等方面提出了更高的要求，而泵的運行不穩(wěn)定和噪聲主要是由其內(nèi)部流動情況決定的。泵內(nèi)部流場非定常的湍流特性、葉輪與蝸殼的動靜干擾、渦流及回流等都可能引起壓力脈動，該壓力脈動激發(fā)泵體

21、和管道的機械振動，影響泵的正常運轉(zhuǎn)，降低了泵的使用壽命；如果這種激勵振動的頻率接近泵的主頻，還會發(fā)生共振，振動會在相鄰的環(huán)境介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生聲壓波動，產(chǎn)生很大的噪聲1?？梢?，泵內(nèi)壓力脈動是影響水泵運行穩(wěn)定性的重要因素，也是導致噪聲污染的重要原因。因而，對泵內(nèi)部壓力脈動進行研究，降低泵的振動噪聲成為當前研究的重要任務之一。離心泵廣泛應用于生活和生產(chǎn)設(shè)備中，對其內(nèi)部流動壓力脈動的研究越來越受到人們的重視。因此，針對離心泵壓力脈動的研究就具有極其重要的學術(shù)價值和應用價值，將有助于認識壓力脈動特性，為控制和降低壓力脈動提供有益的參考。本文選取離心泵為研究對象，在前人對泵內(nèi)壓力脈動的研究的基礎(chǔ)上，對其內(nèi)部流動

22、及其壓力脈動進行研究。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國外研究現(xiàn)狀自上世紀五十年代，水泵在運行過程中所產(chǎn)生的壓力脈動就引起了人們的注意，此時的研究將壓力脈動看作隨機信號，如清華大學的吳仁卿、劉冀生等；80年代初，日本學者宮代裕、近藤正遭等在對壓力脈動進行研究時，把壓力脈動看作是一種有規(guī)律的周期脈動。此后，隨著測量技術(shù)的進步以及計算流體動力學CFD的飛速發(fā)展，壓力脈動的研究進入了一個新的階段。用測試的方法了解離心泵內(nèi)部壓力脈動情況被認為是最基本和最可靠的手段。Arndt等試驗研究了離心泵葉輪和蝸殼間的流動干擾，發(fā)現(xiàn)吸力面的壓力波動大于壓力面，最大的壓力波動出現(xiàn)在吸力面進口邊，當葉輪與蝸殼導葉間

23、的徑向間隙增大時該壓力波動減小。Tatsuji等通過試驗對葉輪出口速度、壓力的波動特性進行了研究，指出速度的波動性深受尾跡的影響，而靜壓的波動性受其影響要小得多，并對波動的基波及其諧波特性進行了描述。Wang等通過試驗研究了導葉內(nèi)的壓力脈動，得出其主頻的壓力脈動出現(xiàn)在非設(shè)計點時的葉頻倍頻處。Kelder等對一低比轉(zhuǎn)速離心泵蝸殼內(nèi)的非定常流動進行了理論分析和試驗研究。分析計算了在設(shè)計工況下由二次流引起的壓力脈動，發(fā)現(xiàn)即使是在設(shè)計點附近，由二次流引起的壓力脈動已經(jīng)達到了靜態(tài)揚程的一半甚至還要大。Dong、Chu等使用帶有噪聲和壓力測量裝置的PIV（Particle Image Velocimetr

24、y）對不同隔舌間隙（間隙為葉輪半徑的7%28%）的蝸殼內(nèi)的速度場進行了測量，并計算了蝸殼隔舌附近的非定常壓力場。研究發(fā)現(xiàn)，當隔舌和葉輪之間的間隙約等于葉輪半徑的20%時，離心泵的振動噪聲將會明顯地降低；在葉片間插入短葉片后，原始尾流有所減弱，但出現(xiàn)了另一射流一尾流現(xiàn)象。由于成本過高，采用試驗手段監(jiān)測泵內(nèi)（特別是轉(zhuǎn)動的葉片上）的壓力脈動通常比較困難，從而迫使葉輪內(nèi)流動的數(shù)值模擬技術(shù)獲得了更大的發(fā)展。1995年Fortes-Patella等應用重疊網(wǎng)格和相位滯后的周期邊界條件，對泵內(nèi)葉輪和蝸殼的動靜干擾進行了二維非定常計算。Gonzfilez等應用Navier-Stokes方程和滑移網(wǎng)格技術(shù)，對離

25、心泵全流道進行了三維非定常數(shù)值模擬，討論了蝸殼隔舌附近由于動靜干擾引起的壓力脈動，并與試驗值進行了對比，給出了預測葉輪出口和蝸殼隔舌動態(tài)相互作用的數(shù)學模型。在此前研究的基礎(chǔ)上，2006年Gonzfilez等對流場結(jié)構(gòu)與全局變量之間的關(guān)系作了進一步的研究，指出蝸殼內(nèi)二次流與不同的壓力脈動類型有關(guān)。Qin和Tsukamoto分別用奇點分布法和RANS（Reynolds-averaged Navier-Stokes equations）模型計算了導葉泵內(nèi)的葉輪-導葉干涉引起的非定常流，通過把兩個結(jié)果進行對比來區(qū)別不穩(wěn)定壓力中的勢流作用，從而確定了不同來源的壓力脈動。渦方法因為它的無網(wǎng)格性所以適合應用

26、在復雜幾何體內(nèi)的流動，可以用它來計算導葉泵內(nèi)復雜的非定常流的壓力脈動。Zhu用離散渦方法對額定流量下的動靜干擾引起的壓力脈動進行了計算，但是在改變工況點時這種方法就不適用了。Wang等在動靜干擾問題上用邊界集成方法引出一個能改進非穩(wěn)定壓力評估的新方法，其采用的渦方法可在變工況下應用。隨著研究的深入，除了對所獲得的壓力脈動現(xiàn)象進行分析之外，人們致力于把壓力脈動與紊流理論聯(lián)系起來深入到壓力脈動內(nèi)在機理問題的研究。Dring等指出動靜干擾的兩個直接機理：勢流作用和尾流作用。一方面，由于葉輪葉片和靜止的導葉之間的相對運動引起的無粘性相互作用產(chǎn)生了勢流的相互作用；另一方面，葉輪流道內(nèi)產(chǎn)生的尾跡進入后續(xù)的

27、導葉流道時，由于尾跡的沖擊和傳播形成了尾跡的相互作用。此外，許多學者從離心泵的水力設(shè)計方面著手，致力于降低離心泵壓力脈動以及振動、噪聲的研究。大量研究表明，離心泵最強烈的壓力脈動出現(xiàn)在隔舌附近。為此，許多學者試圖通過改變?nèi)~輪和隔舌參數(shù)來降低壓力脈動水平，如優(yōu)化葉輪和隔舌的間隙、改變?nèi)~輪結(jié)構(gòu)形式（分流葉片、雙葉片葉輪）、改變隔舌形狀（階梯型隔舌）、改變?nèi)~輪葉片數(shù)等。綜上，國外對離心泵壓力脈動的研究取得了較多的成果，有很好的借鑒價值，特別是關(guān)于壓力脈動機理的分析以及現(xiàn)象的描述，對降低壓力脈動的工程研究有很好的幫助。1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀目各高校針對工程實際用軸流泵、貫流泵等內(nèi)部流動誘導壓力脈動進

28、行了數(shù)值計算與試驗研究。中國農(nóng)業(yè)大學的張玲采用大渦模擬對軸流泵多個工況下的壓力脈動進行了預測，得到了監(jiān)測點的時域特性和頻域特性。耿少娟等應用商業(yè)軟件Fluent分析了無短葉片、長短葉片和短短葉片三種葉輪的單級離心泵整機由于動靜干擾引起的葉輪進口和蝸殼出口的壓力脈動。清華大學的徐朝暉對高速泵動靜葉柵間采用滑移網(wǎng)格技術(shù)建立交互界面，利用RNG（Random Number Generator）湍流模型對包括誘導輪在內(nèi)的全流道進行了非定常數(shù)值模擬，并對頻譜進行了FFT分析。陳黨民等應用商業(yè)軟件STAR-CD對三種工況下的部分流泵整機內(nèi)的非定常流場進行了分析，對各葉輪流道內(nèi)壓力波動以及揚程的瞬變波動進行

29、了描述。施衛(wèi)東等通過對軸流泵壓力脈動特性的研究，表明不同轉(zhuǎn)速下壓力脈動的主頻發(fā)生偏移，說明壓力脈動主頻與轉(zhuǎn)速呈非線性關(guān)系。王福軍提出軸流泵葉輪進口前壓力脈動的幅值最大，壓力脈動頻率主要受葉輪轉(zhuǎn)頻影響，并提出應避免大型機組固有模態(tài)與葉片通過頻率成整數(shù)倍。鄭源等基于不同軸流泵葉片安放角度和揚程，探討了壓力脈動的變化規(guī)律及特性。王洪杰等通過對渦輪壓力脈動的研究，表明在設(shè)計工況附近，葉輪入口處空化誘發(fā)連續(xù)的高頻壓力脈動，而動靜干涉效應誘發(fā)壓力脈動以轉(zhuǎn)頻、葉頻以及兩者的倍頻為主。姚志峰等通過對種方案的雙吸離心泵葉輪進行壓力脈動同臺試驗，提出相對于傳統(tǒng)雙吸葉輪，兩側(cè)葉片交錯布置后可改善壓力脈動特性，減輕動

30、靜干涉的危害。潘中永通過對離心泵葉輪與鍋殼動靜干涉的研究，提出由動靜干涉引起的壓力脈動的主頻與葉片通過頻率相同，最終給出了一種可以測量轉(zhuǎn)速的新方法。徐朝暉等對泵內(nèi)動靜干涉作用進行了數(shù)值模擬，認為定子與動子間各點的壓力脈動頻率相同，且幅值沿周向呈現(xiàn)出正弦變化規(guī)律。1.3 論文工作的主要內(nèi)容1.使用Pro/E分別建立葉輪、蝸殼和進水管的三維模型，建立成功后裝配成離心泵的整體結(jié)構(gòu)；再使用Gambit軟件進行網(wǎng)格劃分，檢查劃分后的網(wǎng)格質(zhì)量是否符合要求。2.使用Fluent軟件，通過在流場中布置監(jiān)測點的方式，研究壓力脈動與監(jiān)測點位置、運行工況之間的關(guān)系，分析各監(jiān)測點在不同工況下壓力脈動值的時域特性以及內(nèi)

31、部流場的分布情況。完成壓力變送器、數(shù)據(jù)采集模塊的器件選型和電路連接方式的測量系統(tǒng)方案設(shè)計；使用Labview軟件繪制出上位機界面，采集所在布置監(jiān)測點的壓力脈動數(shù)據(jù)，顯示壓力脈動曲線、保存實驗數(shù)據(jù)。本章先通過定常數(shù)值模擬，得到離心泵內(nèi)部的靜壓力場、速度場，進一步分析了隔舌處的壓力及速度分布情況。采用定常計算結(jié)果作為非定常計算的初始條件，通過對離心泵進行三維非定常數(shù)值模擬，數(shù)值分析了不同工況下、不同位置處和不同時刻時離心泵的壓力脈動特性。第2章 泵內(nèi)流動數(shù)值計算方法及壓力脈動的相關(guān)理論第2章 泵內(nèi)流動數(shù)值計算方法及壓力脈動的相關(guān)理論本文是以某離心泵作為研究對象，其中進水管、葉輪和蝸殼三個主要部件作

32、為設(shè)計模型的計算區(qū)域，為了能夠更加精確地分析流動部件內(nèi)流場的分布規(guī)律，可以忽略一些對流動影響不大的部件如部件壁厚、聯(lián)接零部件等，這樣為計算模型的建模及數(shù)值模擬提供了極大的方便。本章詳細介紹了利用Pro/E軟件對計算模型進行三維造型過程及其計算模型計算域的網(wǎng)格劃分過程。2.1 離心泵的三維建模該離心泵的轉(zhuǎn)速為1500r/min，其三個主要過流部件包括進水管、葉輪和蝸殼。其中，葉輪是旋轉(zhuǎn)運動的，進水管和蝸殼是靜止不動的，通過葉輪與進水管、蝸殼的相互動靜耦合，對計算模型全流道進行模擬計算。本文根據(jù)已知的計算模型泵的水力圖，采用功能強大的實體建模Pro/E軟件分別對該離心泵的三個主要過流部件進行三維全

33、流道建模，然后裝配成整體的全流道實體模型。液體在泵內(nèi)運動情況可通過泵的水力特性外在表現(xiàn)出來，而內(nèi)部流體的流動情況是預測泵性能的基礎(chǔ)。2.1.1 葉輪實體模型的建立離心泵的葉輪是完成液體傳輸?shù)闹饕考?。本文的葉輪結(jié)構(gòu)對稱，其具體建模過程如下：（1）在圓柱坐標系中，使用偏移坐標系基準點命令，分別輸入所給葉片軸面圖中的每條軸面截線坐標點；使用插入基準曲線命令，將同一軸面截線上的坐標點連接起來；再使用邊界混合工具將各個曲線連接起來，便生成了葉片的各個面；再使用曲面合并命令，將葉片六個面兩兩合并，最終構(gòu)成一個封閉的曲面；選中形成的閉合曲面，利用實體化命令將閉合曲面變?yōu)閷嶓w；參照選擇葉輪葉片的工作面和背面

34、，驅(qū)動曲面選擇葉輪葉片的內(nèi)側(cè)邊界混合曲面，使用完全倒圓角工具對葉片模型加以修飾。（2）建組從邊界混合操作開始到最后倒圓角操作結(jié)束，右鍵組選擇陣列操作，選定旋轉(zhuǎn)軸，第一方向的陣列成員數(shù)輸入6，再生選項選一般即通過假設(shè)所有成員形狀各異且可能彼此相交來計算成員幾何，使用陣列工具創(chuàng)造出另外5個葉輪葉片。（3）使用草繪工具繪制出葉輪的軸面投影圖，旋轉(zhuǎn)軸選擇內(nèi)部CL，角度選擇在第一個方向從草繪平面以指定的角度作為實體旋轉(zhuǎn)，使用旋轉(zhuǎn)工具生成出不完整的葉輪模型。（4）使用插入-共享數(shù)據(jù)-合并/繼承命令，將參照類型設(shè)置為外部，選取葉片實體作為參照模型，定義兩個對齊約束類型。選擇約束類型為對齊：分別選定葉輪模型和

35、葉片模型中的基準軸；選擇約束類型為對齊：選定葉輪模型和葉片模型中的基準平面，偏移選擇重合即將原件置于和組件參照重合的位置。移除材料、選擇從屬關(guān)系，指定約束時在組件窗口中顯示元件，實現(xiàn)外部切除。生成葉輪的實體模型保存為108-16-yl.prt，模型如圖2.1所示。圖2.1 離心泵的葉輪模型Fig.2.1 Impeller of centrifugal pump2.1.2 蝸殼實體模型的建立蝸殼是離心泵中的又一重要過流部件，其具體建模過程如下：（1） 利用草繪工具繪制出離心泵蝸殼的截面圖。為方便后續(xù)做掃描混合的時候使用，使用基準點工具創(chuàng)建出蝸殼八個斷面與基圓的交點。按照給定的蝸殼的水力模型圖，再

36、利用草繪工具分別做出八個斷面的形狀。對于其他斷面，參照基準坐標系CS0，類型選擇圓柱坐標系，使用偏移坐標系工具，輸入蝸殼水力模型圖上的斷面數(shù)據(jù)，選擇創(chuàng)建出的基準點，使用插入基準曲線工具，繪制出其他斷面的形狀。（2） 使用偏移、鏡像和草繪工具繪制出引導線，在第一方向上選擇相鄰兩個斷面作為鏈，在第二方向上選擇引導線作為鏈，使用邊界混合工具繪制出相鄰兩個斷面的過渡曲面。在蝸殼的隔舌處，選中繪制處的樣條曲線，利用拉伸工具，從中心向兩側(cè)拉升做一拉伸曲面，深度要超過渦室進口寬度，此步驟是方便后續(xù)的補面之用。參照選擇修剪的面組為鏡像步驟的一側(cè)曲面、修剪對象選擇拉伸出的曲面，保留修剪曲面，使用修剪工具進行修剪

37、；使用相同的方法對鏡像步驟的另一側(cè)曲面進行修剪，最后使用邊界混合工具生成蝸殼隔舌處的過渡曲面。（3） 利用曲面合并命令，兩兩合并逐步將所有的曲面合并為一個閉合的曲面。選中合并后的閉合曲面，利用實體化命令將閉合曲面變?yōu)閷嶓w。蝸殼的實體模型成功建立保存為108-16-wk.prt，模型如圖2.2所示。圖2.2 離心泵的蝸殼模型Fig.2.2 Volute of centrifugal pump2.1.3 進水管實體模型的建立進水管模型的建立過程比較簡單，使用草繪工具繪制出葉輪進口面曲線，從草繪平面以指定的深度值拉伸為實體即可獲得進水管的實體模型，保存為108-16-jsg.prt，如圖2.3所示。

38、圖2.3 離心泵的進水管模型Fig.2.3 Inlet pipe of centrifugal pump2.1.4 元件的裝配（1）使用裝配工具將元件108-16-wk.prt添加到組件中，使用用戶定義約束集，約束類型選擇在缺省位置裝配元件；運動類型選擇平移定義方向，在視圖平面中相對來調(diào)整或選取參照；指定約束時在組件窗口中顯示元件。（2）使用裝配工具將元件108-16-yl.prt添加到組件中，定義兩個對齊約束類型。選擇約束類型為對齊：選定葉輪模型中的基準軸A_1和蝸殼模型中的基準軸A_1；選擇約束類型為對齊：選定葉輪模型中的FRONT基準平面和ASM_FRONT基準平面，偏移選擇重合即將原件

39、置于和組件參照重合的位置。指定約束時在組件窗口中顯示元件。（3）使用裝配工具將元件108-16-jsg.prt添加到組件中，仍定義兩個對齊約束類型。選擇約束類型為對齊：選定進口延伸段模型中的基準軸A_1和葉輪模型中的基準軸A_1；選擇約束類型為對齊：選定進口延伸段模型中的FRONT基準平面和葉輪模型中的進口圓面，偏移選擇重合即將原件置于和組件參照重合的位置。指定約束時在組件窗口中顯示元件。裝配完成后的離心泵實體模型組件如圖2.4所示。至此，整個離心泵的三維建模工作完成，模型保存為108-16-zhuangpei.asm。為方便后續(xù)導入Gambit軟件里進行網(wǎng)格劃分，將模型108-16-zhua

40、ngpei.asm保存副本為STEP類型文件即108-16-zhuangpei_asm.stp。圖2.4 離心泵的整體三維模型Fig.2.4 Three dimensional model of centrifugal pump2.2 數(shù)值計算方法概述近年來，隨著計算機技術(shù)以及數(shù)值計算理論的更新?lián)Q代，針對流場進數(shù)值行模擬和預測的CFD技術(shù)應運而生。利用CFD技術(shù)，可以在短時間內(nèi)預測流場性能，并通過改變流場中參數(shù)設(shè)置反復計算，使泵產(chǎn)品達到最佳設(shè)計效果，同時獲得一些實驗中無法獲得的流場分布情況。經(jīng)過多年的發(fā)展，CFD技術(shù)完全可以準確地反映流體機械內(nèi)部的流場分布情況，因此在新產(chǎn)品開發(fā)方面應用廣泛，在

41、有效減少設(shè)計的工作量并提高設(shè)計的可靠性的同時節(jié)省了實驗資源。在基于Fluent軟件平臺，對離心泵的內(nèi)部流場進行數(shù)值計算的過程中，需要分別對求解器中參數(shù)進行設(shè)置。每一個參數(shù)都有它的意義和適用范圍，并且求解的模型不同，各參數(shù)不同的匹配方式得到的計算結(jié)果不同。因此，為了正確、高效運用Fluent軟件解決具體問題，對CFD技術(shù)的基礎(chǔ)知識做充分的了解是十分必要的。下面在針離心泵內(nèi)部流動數(shù)值模擬時的應用過程，對CFD技術(shù)做簡單介紹。2.2.1 流動控制方程通常情況下，泵可以認為是一種工作介質(zhì)為絕熱的不可壓縮流體的工作機，液體在泵內(nèi)的流動狀態(tài)主要表現(xiàn)為兩個過程。第一旋轉(zhuǎn)的葉輪葉片對液體做功，第二液體自身動能

42、與勢能之間相互轉(zhuǎn)化。因此，在運用CFD技術(shù)對離心泵流動問題數(shù)值模擬的過程中，并不需要考慮其能量方程，而只需要考慮連續(xù)性方程和動量方程。具體控制方程如下：（1） 慣性坐標系下的控制方程（a） 連續(xù)性方程連續(xù)性方程是基于質(zhì)量守恒定律，也就是說同一流體質(zhì)點的質(zhì)量在運動過程中始終不變。不可壓縮流體連續(xù)性方程為： （2.1）其中為哈密頓算子，。直角坐標系中連續(xù)性方程的表達式為： （2.2）其中，u、v、w分別為速度在x、y、z3個坐標軸方向上的分量。（b） 動量方程（Navier-Stokes方程）動量方程即納威-斯托克斯方程，即體積V中流體質(zhì)點動量的變化率等于作用在該體積上的質(zhì)量力與表面力以及粘性力三

43、者之和。不可壓縮流體的動量方程表達式為： （2.3）式中，t為時間，為作用在單位質(zhì)量流體上的質(zhì)量力，為流體的密度，p為壓力，v為運動粘度，為拉普拉斯算子。直角坐標系中動量方程的表達式為： （2.4a） （2.4b） （2.4c）其中，、為分別為質(zhì)量力在x、y、z三個方向上的分量。（2）旋轉(zhuǎn)坐標系中的控制方程慣性坐標系下，由于葉輪內(nèi)流體隨著葉輪葉片一起旋轉(zhuǎn)，認為流動處于周期性地非定常狀態(tài)?？梢越⒁粋€與葉輪以同樣角速度旋轉(zhuǎn)的坐標系，此時葉輪內(nèi)部的流動可以認為是定常狀態(tài)，從而使得求解過程得以簡化。相對速度和絕對速度之間的關(guān)系如下： （2.5）其中，為遷移速度，為葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度，為質(zhì)點矢徑。絕對加

44、速度與相對加速度及牽連加速度和科氏加速度之間的表達式為： （2.6）其中，。（a） 連續(xù)性方程 （2.7）其中，下標r表示旋轉(zhuǎn)坐標系和中的參數(shù)。在相對運動中直角坐標系下的表達式為： （2.8）其中，、分別為在x、y、z方向上的分量。（b） 動量方程當轉(zhuǎn)速恒定，系統(tǒng)角加速度慣性力項為零，所以動量方程為： （2.9）其中： （2.10）表示作用在單位質(zhì)量流體上的科氏力，表示作用在單位質(zhì)量流體上的離心力。動量方程在相對運動直角坐標系中的表達式為： （2.11a） （2.11b） （2.11c）其中，、分別為在x、y、z三個坐標軸上的分量： （2.12a） （2.12b） （2.12c）其中：、分別為

45、在x、y、z三個坐標軸上的分量，、分別為在x、y、z三個坐標軸上的分量。2.2.2 旋轉(zhuǎn)區(qū)域中流動問題的建模（1）多參考系模型多參考系模型MRF（Multi-Reference Frame）為不同旋轉(zhuǎn)或者移動速度的每一個細小單元體的穩(wěn)態(tài)近似。MRF模型是通過創(chuàng)建多個參考系來實現(xiàn)動靜耦合，其動靜交界面上的網(wǎng)格沒有移動，也就是對于每個參考系的交界面的速度（絕對速度）必須相同。該方法比較適合于均勻混合時（邊界上流動區(qū)域幾乎相一致）。顯然多參考系模型方法是簡化了的，它可以在很多時均流動的應用場合里提供合理的模型。一般來說，當轉(zhuǎn)子和定子之間干涉作用相對較弱、并無大范圍瞬態(tài)影響時，MRF模型完全可以滿足模

46、擬要求。通常在旋轉(zhuǎn)機械數(shù)值模擬當中，可以先采用MRF模型進行流場計算，然后將計算結(jié)果作為瞬態(tài)滑動網(wǎng)格模型的初始條件再繼續(xù)精確計算。（2）滑移網(wǎng)格技術(shù)滑移網(wǎng)格技術(shù)（Moving Mesh）運用兩個或更多的單元區(qū)域。在每個單元區(qū)域中至少存在一個邊界的交界面，該交界面和另一單元區(qū)域相鄰，彼此相鄰的兩個單元的交界面形成“網(wǎng)格交界面”，因此這兩個單元彼此相對于滑動。需要注意的是，網(wǎng)格交界面必須定義，因為兩邊均有流體通過，“網(wǎng)格交界面”必須定義于動靜交界流體區(qū)域內(nèi)，不能位于轉(zhuǎn)子或定子邊緣的固體邊界部分。在計算過程中，相鄰單元區(qū)域的網(wǎng)格沿著“網(wǎng)格交界面”相互滑動（旋轉(zhuǎn)或平移），此時交界面兩側(cè)的網(wǎng)格結(jié)點可以不

47、相互重合，但是兩側(cè)的通量一定要保證相同。對于非定常周期性的計算，其最終解并不取決于起始階段解的時間步長。由于流動起始階段的精確解對計算結(jié)果影響不大，因此可以采用“較大”的時間步長開始計算，這樣能夠使流動問題的解更快地出現(xiàn)周期性變化規(guī)律。然而，當解出現(xiàn)周期性時，應當減少時間步長從而獲得精確解。另外，如果計算過程中采用二階時間精度求解，那么改變時間步長有可能影響當前解的精度。若求解過程中采用“較大”時間步長開始計算，隨后改變時間步長的幅度不應超過20%，否則將不能確保改變時間步長后，在最后幾個周期內(nèi)的解滿足周期性狀態(tài)。2.2.3 湍流模型湍流是一種非常復雜的不穩(wěn)定三維流動，在湍流中流場的各個物理量

48、均隨時間和空間隨機改變。為了研究湍流的運動規(guī)律，把流場中任一點的瞬時物理量近似看作是平均值和脈動值之和，對Navier-Stokes方程作時間平均得到雷諾方程，從而產(chǎn)生新的未知量雷諾應力項，為了使湍流的平均雷諾方程封閉，需要建立不同的湍流模型。因此在數(shù)值模擬中，建立正確的湍流模型對計算結(jié)果的準確性顯得尤為重要。多年以來，學者對湍流相關(guān)理論進行了深入研究，在實踐運用中效果顯著、收益良好。由于湍流流動是一種高度無序的復雜流動，對其運動方程只能通過數(shù)值模擬的方法獲得其近似解。泵內(nèi)部的絕大多數(shù)液體均處于湍流充分發(fā)展區(qū)，為描述泵體內(nèi)湍流的瞬時運動，可以采用連續(xù)性方程和動量方程。目前，湍流模擬的方法可分為

49、直接數(shù)值模擬（Direct Numerical Simulation，簡稱DNS）和非直接數(shù)值模擬兩大類?；诮坪秃喕椒ǖ牟煌梢詫⒎侵苯訑?shù)值模擬方法分為大渦模擬（Large Eddy Simulation，簡稱LES），分離渦模擬（Dettached Eddy Simulation，簡稱DES）、雷諾平均法（RANS）和統(tǒng)計平均法等。湍流模型如圖2.5所示。雷諾時均法在關(guān)于泵內(nèi)部流場分析的文章中使用最為廣泛。在滿足工程實際應用的同時避免了直接數(shù)值模擬法計算量大的問題，本文隨后選用RANS兩方程模型中的Standard k-模型進行計算，在此重點介紹。Standard k-模型是由Lau

50、nder和Spalding最早提出來的，后來被工程界廣泛采納。該湍流模型基于渦黏性假設(shè)，其湍動能和耗散率的控制方程為： （2.13） （2.14）式中：和為用戶自定義的源項：為湍流粘性系數(shù)，模型常數(shù)=0.09，=1.44，=1.0，=1.3。標準k-模型具有穩(wěn)定、簡單和經(jīng)濟等特點，該湍流模型目前使用最為廣泛，它能夠在較大的工程范圍內(nèi)滿足一定的精度。圖2.5 湍流數(shù)值模擬計算方法及湍流模型Fig.2.5 Numerical simulation method and turbulence model for turbulent flow2.2.4 求解控制對于在求解域內(nèi)所建立的偏微分方程，理論上

51、是有真解的。但是，由于所處理問題自身的復雜性，很難獲得方程的解析解。因為，在求解域內(nèi)存在著有限的因變量，為此將這些因變量值采用數(shù)值模擬方法變?yōu)槲粗縼硖幚?，并建立代?shù)方程組來表示這些未知量，然后求解所建立的代數(shù)方程，得到這些節(jié)點值。同樣的，為求得計算域內(nèi)其他節(jié)點位置上的值，可采用插值法來求解。這樣，這種用數(shù)值離散來求解變量獲得所求問題的精確解的方法稱為離散近似。三維控制方程離散后，離散方程中還包含有各種未知量，而這些變量并不能夠直接求解出來，因此，還必須對它們進行特殊處理，對離散方程做出特定的調(diào)整。本章選用SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure-Lin

52、ked Equations）算法求解離散方程，對所有變量整場聯(lián)立求解，同時求解連續(xù)方程和動量方程組。SIMPLE算法為求解壓力耦合方程組的半隱式方法，該方法基于交錯網(wǎng)格，屬于壓力修正法的一種，主要用于求解不可壓縮流場的數(shù)值方法，用途最為廣泛。該方法采用“猜測-修正”的過程，在交錯網(wǎng)格的基礎(chǔ)上計算壓力場，從而求解Navier-Stokes方程。SIMPLE算法的基本思想可以簡單的歸納為：對于給定的壓力場，求解離散形式的動量方程，以此得出速度場。由于壓力場是人為假定的，不夠精確，由此得到的速度場一般不滿足相應的連續(xù)方程，因此，必須對給定的壓力場加以修正。2.3 離心泵的網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分數(shù)值離散的基

53、礎(chǔ)，是成功實現(xiàn)數(shù)值模擬的前提，并且計算網(wǎng)格質(zhì)量的好壞和所選湍流模型是否正確對于數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性和精度至關(guān)重要。2.3.1 網(wǎng)格相關(guān)問題的概述在對指定問題進行CFD計算之前，首先要將計算域進行離散化，即對空間上連續(xù)的計算區(qū)域劃分為若干個子區(qū)域，并確定每個區(qū)域中的節(jié)點，從而生成網(wǎng)格?？刂品匠痰碾x散是以網(wǎng)格為基礎(chǔ)的，離散化的物理量都儲存在網(wǎng)格節(jié)點上，網(wǎng)格在離散過程中起著關(guān)鍵的作用。網(wǎng)格劃分的形式及密度等將直接影響數(shù)值模擬的計算結(jié)果。因此，當劃分網(wǎng)格時，網(wǎng)格的好壞會直接影響到計算問題的計算精度和收斂速度，同時關(guān)系到流場計算是否成功，其是否合理的布置對數(shù)值解的精度也有重要的影響。一般對網(wǎng)格劃分的要求

54、有如下幾點：（1）劃分的網(wǎng)格應相適應于求解區(qū)域所設(shè)置的邊界；（2）在高梯度及特定分析的區(qū)域劃分網(wǎng)格時需加密；（3）在邊界上劃分的網(wǎng)格線應盡量正交于邊界，以便準確方便的進行邊界上的微分；（4）網(wǎng)格劃分時其間距在梯度變化時應過渡較緩；（5）劃分網(wǎng)格線時應盡可能與流體流動方向重合。在數(shù)值模擬中，網(wǎng)格劃分是一個重要的前處理過程，當計算域比較復雜時，生成網(wǎng)格所需時間也相對較長。Gambit劃分網(wǎng)格軟件提供了多種網(wǎng)格單元，根據(jù)用戶的要求自動完成劃分網(wǎng)格的工作，并且可以生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格等多種類型的網(wǎng)格，其能較的好匹配于Fluent數(shù)值模擬軟件，所以本文釆用Gambit軟件對離心泵進行網(wǎng)格劃

55、分。目前，比較常用的網(wǎng)格有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。（1）結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的網(wǎng)格節(jié)點排列有序，當給定了一個節(jié)點的編號時，立即可以得到其相鄰節(jié)點的編號，這種網(wǎng)格稱之為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。它是一種傳統(tǒng)的網(wǎng)格形式，釆用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有很多優(yōu)點：它可以很容易的實現(xiàn)區(qū)域的邊界擬合，適用于流體和表面應力集中等方面的計算；網(wǎng)格生成的速度快；網(wǎng)格生成的質(zhì)量好；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單；對曲面或空間的擬合大多數(shù)采用參數(shù)化或樣條插值的方法得到，區(qū)域光滑，與實際的模型更容易接近。（2）非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是指其網(wǎng)格的節(jié)點以一種不規(guī)則的方式布置在流場中。這種網(wǎng)格雖然生產(chǎn)過程比較復雜，但卻有著極大的適應性，尤其對具有復雜邊界的流場計算問題特

56、別有效。其具體優(yōu)點是允許自由的劃分網(wǎng)格大小，劃分網(wǎng)格時比較靈活，實用性非常廣；它的缺點是劃分后的網(wǎng)格排列沒有規(guī)則性，需要尋找出各個單元之間的相關(guān)性，進行數(shù)值模擬時有很大的計算量，計算所需的時間長，占用計算機的內(nèi)存多。在本文計算中，由于離心泵的模型比較復雜，其中存在著很多不規(guī)則區(qū)域。因此，釆用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分模型網(wǎng)格，既能減少對網(wǎng)格劃分的工作量，又能很好的得到計算解。2.3.2 網(wǎng)格劃分本文釆用Gambit軟件對離心泵流道進行網(wǎng)格的劃分。下面具體介紹網(wǎng)格劃分的步驟：（1） 導入建立好的離心泵實體模型108-16-zhuangpei_asm.stp并進行檢查。（2）將三個區(qū)域分別進行網(wǎng)格劃分，給出

57、相應的網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格類型，整體采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分網(wǎng)格。比如先對葉輪模型進行劃分網(wǎng)格，選擇指定顯示屬性（Specify Display Attributes）工具里的體（Volumes）模塊將蝸殼和進水管模型指定為不可見，單獨顯示葉輪模型。（3）使用合并命令，合并模型中的碎面。葉輪和蝸殼模型中的曲線和曲面數(shù)比較繁雜，先使用合并面（Merge Faces）命令來簡化模型。另外對于某些狹長的曲面，如果直接在上面網(wǎng)格劃分會導致極其尖銳的三角形網(wǎng)格。所以最好先進行合并面命令來消除這類影響，當然如此布置的面網(wǎng)格也相應地降低模型的精度，某些細節(jié)地方會被抹平。（4）合并面命令完成后開始體網(wǎng)格的劃分。Mesh Volumes面板中的Elements命令提供了3種體網(wǎng)格劃分類型：Hex：六面體網(wǎng)格形式；Hex/Wedge：主要以六面體網(wǎng)格形式，在適當位置包含楔形網(wǎng)格；Te