（流体机械及工程专业论文）直立叶栅型双向轴流泵的设计理论及数值模拟.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 泵是我国三大机械产品之一，它是以液体为工作介质进行能量转换的通用机 械，广泛应用于国民经济的各领域。在农业排灌、城市供水、城市排污、石油化 工、火力发电、航空航天、核工业等方面，都离不开各种类型的泵。 对于各种泵而言，都有其不同的性能特点。在实际的运用领域，对于不同的 流量和扬程要使用不同的泵，例如当需要低流量高扬程的情况下，要使用离心泵， 对于大流量低扬程时要使用轴流泵，对于介于两者之间的情况下使用混流泵。但 是在很多情况下，一般的泵并不能完全满足运行环境的需要。如在某些泵站和轮 渡中，要求所使用的轴流泵具有双向抽送功能的同时，还要具有扬程较高的特点。 众所周知，对于一般的轴流泵的，虽然可以通过反转而实现反向抽水的功能，但 效率比正向抽水时要小的多，不能够满足某些特殊场合的使用。为了满足国内某 些特殊场合使用双向轴流泵的需要，本文在查阅了国内外文献资料的基础上，通 过借鉴国内外研究工作者所提出的一些优秀的设计思路，提出了可以双向抽送的 双向轴流泵的设计方法。所设计的双向轴流泵跟以前的研究工作者所设计的双向 轴流泵相比，不仅可以满足双向抽水性能大致相同的需求，而且还可以用于某些 需要扬程较高的特殊场合。 对于本课题的研究，本文主要从以下几个方面进行了一定的工作。 ( 1 ) 对前人所提出的低扬程双向轴流泵的设计方法和提高轴流泵扬程的设 计方法进行分析、比较和总结。尝试将两种不同设计方法加以综合考虑，从而提 出三种可以运行在较高扬程工况下双向轴流泵的结构型式。 ( 2 ) 对于本文中的双向轴流泵叶片的翼型的选取采用了数值模拟的分析方 法。利用数值模拟软件f l u e n t 对采用不同翼型设计的一般轴流泵叶轮内部流场 进行了全三维的紊流数值模拟。通过对数值模拟结果的分析和比较，选取了一种 较为适合本文的双向轴流泵叶片的翼型。 ( 3 ) 通过三维造型软件p r o e 完成了三种不同结构型式下双向轴流泵叶轮 的三维造型。利用计算流体力学前处理工具g a m b i t 采用混合网格法对流动区域 进行了网格划分。最后采用c f d 软件f l u e n t 对不同结构型式下的叶轮内部流 动区域进行了较为详细的数值模拟。在流场求解的过程中，计算模型采用标准的 江苏大学硕士学位论文 k 一占模型，针对控制方程的特点，速度求解时使用二阶中心差分，压力与速度耦 合求解采用s i m p l e c 算法，离散后方程的求解采用u n d e r r e l a x a t i o n 法。 ( 4 ) 对数值模拟的结果进行分析以获得不同结构型式下的双向轴流泵叶轮 的内外特性。对三种不同结构型式下的叶轮内部流动规律进行了一定的分析，并 利用数值模拟得出的叶轮进出口压力场和速度场对不同结构型式下的双向轴流 泵叶轮进行了水力性能预测。最终预测出双向轴流泵叶轮性能最优的一种结构型 式。 关键词：轴流泵，双向轴流泵，叶轮，计算流体力学，数值模拟，结构型 式，性能预测 u 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t p u m pi so n eo ft h et h r e em o s tm a c h i n ep r o d u c t s ；i ti sac o n l l n o nm a c h i n ea n d a b r o g a t eu s e di ne v e r yd o m a i no f c o u n t r ye c o n o m y e v e r yk i n do fp u m ph a sd i f f e r e n tp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r y o us h o u l dc h o o s e d i f f e r e n tk i n do fp u m pi np r a c t i c a la p p l i e dd o m a i n f o re x a m p l e ，f o rm a s sq u a n t i t y a n dl o wh e a d ，y o us h o u l dc h o o s ea x i a lf l o wp u m p ；f o rl o wq u a n t i t ya n dh i 曲h e a d ， y o us h o u l dc h o o s ec e n t r i f u g a lp u m p b u ti nm a n yt h i n g s ，c o m m o np u m pc a nn o t s a t i s f yt h ep r a c t i c a lc o n d i t i o n ，i ns o m ep u m p i n gs m f i o n ，w en o to n l yn e e dr e v e r s i b l e d e l i v e r a n c e ，b u ta l s on e e dm a s sq u a n t i t ya n dh i 曲h e a d t h er e v e r s i b l ea x i a lf l o w p u m pw h i c hs t u d i e d i no u rc o u n t r yi s m a i n l yc o n c e n t r a t e do nt h e r e v e r s i b l e d e l i v e r a n c e ，b u th o wt os a r i s f yt h en e e do fm a s sq u a n t i t ya n dh i 曲h e a d ，f e w r e s e a r c h e sh a sb e e nd o n e h 1t h i sa r t i c l e w es u g g e s ts o m es t r u c t u r ed e s i g n so f r e v e r s i b l ea x i a lf l o wp u m pw i t ht h ep e r f o r m a n c eo fm a s sq u a n t i t ya n dh i g hh e a do n t h eb a s eo f t h eu s eo f r e f e r e n c eo f d o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c h e s i no r d e rt oc o m p l e t et h es u b j e c t t h em a i nw o r ki so u t l i n e d 船f o l l o w i n g ： ( 1 ) i no r d e rt of i n do u tt h ed e s i g nm e t h o do fr e v e r s i b l ea x i a lp u m p ，t h ea r t i c l e c o m p a r e sd i f f e r e n tk i n d s o fm e t h o dw h i c hc a l li m p r o v et h eh e a do fp u m p s ，a n d a n a l y z et h ed e s i g no ft h ef 0 1 t i l e rr e v e r s i b l ea x i a lp u m p ，a tl a s t , t h ea r t i c l ec o n c l u d e t h r e es t r u c t u r eo f t h er e v e r s i b l ea x i a lp u m p ( 2 ) t h i sa r t i c l eu s ec f d t oc o n f i r mt h ec h o o s eo fa e r o f o i lo ft h eb l a d eo ft h e r e v e r s i b l ea x i a lp u m p t h ea r t i c l eu s ef l u e n tt os i m u l a t i o nt h ei m p e l l e r sw h i c h a d o p td i f f e r e n tk i n d so fa e r o f o i l b ya n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h er e s u l t so ft h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ea r t i c l ec o n f i r mt h ea e r o f o i lw h i c hc a nf i t st h er e v e r s i b l e a x i a lp u m p ( 3 ) a d o p tt h r e es t r u c t u r a lm o d e lt oi m p r o v et h eh e a do ft h ep u m p ，t h e nu s et h e p r o es o f t w a r et oc o m p l e t et h et h r e ed i m e n s i o ns c u l p to ft h ei m p e l l e ro ft h e r e v e r s i b l ea x i a lf l o wp u m pa n du s et h eg a m b i ta st h ep r e - p r o c e s s o rt og e n e r a t et g r i d o ft h ei m p e l l e r a tl a s t ，t h ea r t i c l eu s ef l u e n tt oc o m p l e t et h et h r e ed i m e n s i o n a l n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ei m p e l l e r t h et u r b u l e n tf l o wm o d eb a s e so ns t a n d a r d k 吒t w o e q u a t i o nt u r b u l e n tm o d e t h es i m p l e c sa l g o r i t h mw a su s e dt os o l v et h e e q u a t i o n a p p l yt h et m d at o d i s c r e t ea l g e b r a i c e q u a t i o na n d t h em e t h o do f i i i 江苏大学硕士学位论文 u n d e r - r c l a x a t i o nt oi t e r a t e ( 4 ) t h ed i s t r i b u t i o nl a wo fv e l o c i t ya n dp r e s s u r ea n dt h ep r i m a r yf e a t u r eo ft h e i n n e rf l o wc a l lb eg a i n e df r o mt 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 h i c hp r o v i d e s s c i e n t i f i ce v i d e n c ef o re s t i m a t i n gr a t i o n a l i t yo fh y d r a u l i cd e s i g na n dp r o f i t a b l e r e f e r e n c ef o rt h ec o r r e l a t i v es t u d i e s w i t ht h er e s u l to fp r e s s u r ef i e l da n dv e l o c i t y f i e l do ft h ei n l e ta n do u t l e t ，t h ea r t i c l ee s t i m a t et h ep e r f o r m a n c eo fi m p e l l e r sw h i c h u s ed i f f e r e n ts t r u c t u r e ，a tl a s t ，t h ea r t i c l ee s t i m a t eo n em o r ee x c e l l e n ts t r u c t u r a ld e s i g n t h ea r t i c l eh o p et h ed e s i g no f t h er e v e r s i b l ea x i a lp u m pc a nf i l lu pt h eb l a n ko f ak i n d o fs p e c i a lp u m pi no u rc o u n t r y k e yw o r d s ：a x i a lf l o wp u m p ，r e v e r s i b l ea x i a lf l o wp u m p ，i m p e l l e r , c f d ， n u m e r i c a is i m u l a t i o n ，s t r u c t u r a lm o d e l ，p e r f o r m a n c ee s t i m a t i o n i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密哦 学位论文作者签名：嘏彬彬 勘i 年g 月7 日 ：据步 沁 年b i 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：蝴 日期：蛔5 年，月穸日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 泵是我国三大机械产品之一，它是以液体为工作介质进行能量转换的通用机 械，广泛应用于国民经济的各领域。在农业排灌、城市供水、城市排污、石油化 工、火力发电、航空航天、核工业等方面，都离不开各种类型的泵。 对于各种泵而言，都有其不同的性能特点。在实际的运用领域，对于不同的 流量和扬程要使用不同的泵，例如当需要低流量高扬程的情况下，要使用离心泵， 对于大流量低扬程时要使用轴流泵，对于介于两者之间的情况下使用混流泵。但 是在很多情况下，一般的泵并不能满足运行环境的需要。例如在某些轮渡中，要 求所使用的轴流泵具有双向抽送的功能同时，还要具有高扬程的特点。对于一般 的轴流泵而言，虽然可以通过反转而实现反向抽水的功能时，但效率比时正向抽 水时要小的多，而且一般的轴流泵并不具有高扬程的特点。 目前国内所研究的双向轴流泵，大都考虑到了双向抽送的问题，但在某些需 要满足高扬程要求的特殊环境下，所研制的双向轴流泵就无法达到要求。这就要 求我们对双向轴流泵进行进一步的结构改进，在满足双向抽送的基础上，兼有可 以满足高扬程工作环境需求的优点。本文在结合一般双向轴流泵的设计方法和国 内外对于如何提高轴流泵扬程的研究的基础上，通过对轴流泵叶轮的进行一定的 创新结构改造，提出了可以在某些需要高扬程的特殊环境下工作的双向轴流泵， 并对新型的双向轴流泵完成初步的造型和数值模拟研究，并采用水力性能预测模 型对本文双向轴流泵的叶轮进行了性能预测，以探求水力性能最优的一种双向轴 流泵叶轮的结构型式。 1 2 双向轴流泵的研究现状 双向轴流泵，顾名思义就是进口出口都可以进水的轴流泵，主要的应用领域 为需要双向调节的泵站和火车轮渡等。该泵通过正反转来改变进出口，使得原先 的进口变为出口以改变流体的传输方向达到双向输送的目的。 江苏大学硕士学位论文 1 2 1 国内研究现状 对于如何实现轴流泵的双向运行，就目前的国内研究而言，主要通过改变轴 流泵的结构形式以达到实现双向进出水的目的，其中主要的设计思路有两种，一 种是通过改变一般轴流泵的结构型式，目前已设计并在双向泵站中得到应用的结 构方式是采取剖分式的结构方式口l ，作为这种结构的代表是中开剖分式的双向轴 流泵，其的结构设计思路是：在泵进口设计直导叶，进口收缩锥管与泵进口导叶 扩散管对称布置，泵段沿轴向中开；在需要调向时，泵轴和电机不动，泵及前后 联接壳体掉头，改变直导叶和扭曲导叶的位置i 同时更换转轮体。这种设计方法 设计出的双向轴流泵的结构太过复杂，完成双向进出水的步骤较多，对于轴流泵 的制造也提出了一定的要求。 另一种设计思路是从轴流泵的叶片翼型的设计出发，设计出适合正反转双向 进出水的叶片翼型，这种设计思路不需要改变一般轴流泵的结构型式，只需要对 叶片的形状进行一定的设计改进，因而具有更为广阔的应用前景。目前对于双向 轴流泵的翼型设计较为成功的是扬州大学刘超教授等人所设计的“s ”型翼型f 2 】， 这种翼型具有正反向的性能，气蚀性能也和一般的轴流泵大致相同。 上述研究工作者所做的工作都是为了实现轴流泵的双向运行，其的出发点都 是建立在一般轴流泵的特点之上，因而他们所设计出的双向轴流泵只满足了一般 轴流泵的性能特点，即大流量低扬程的特点。但是对于我们所要设计的特殊的双 向轴流泵而言，还必须要具有高扬程的优点。目前国内所研究的如何提高轴流泵 的扬程的方法，主要具有以下三种结构型式： 第一种结构是在泵中较为常见的采用串联叶轮的方法来提高扬程，在首级叶 轮和次级叶轮之间用导叶来消除首级叶轮出口引起的环量。 第二种结构是从航空航天中所使用的压气机所发展而来的串列叶栅理论 【3 】【4 】，国内第一位将串列叶栅理论应用于轴流泵的设计中的研究者是上海7 0 6 研 究所的王立祥研究员【5 6 】，他首次将由串列叶栅理论设计的轴流泵应用于喷水推 进系统。 第三种结构是在喷水推进系统中应用较为广泛的对旋式轴流泵8 j 9 】，对旋式 轴流泵具有流量大、扬程高、体积小、运行高效区宽汽蚀性能好等特点。 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 国外研究现状 就目前所查阅的资料而言，国外对于轴流泵的双向运行的研究在近些年内涉 及的较少。对于串列叶栅理论以及对旋式叶轮机械的研究的比较广泛。例如p a l p 1 0 1 通过计算确定损失最小的最佳串列叶栅的排列方案，指出在相同的折转角情 况下，追加排列位置的损失比普通叶栅约小2 5 。s h e e t shee “1 对具有串列叶栅 得当即轴流压气机进行了实验，效率达到9 4 ，级效率最高达到9 6 ，最大折 转角为5 2 。d o u g l a s 和s u r e s h i ”1 对离心压气机动叶上的串列叶栅进行了数值研 究，结果表明前后两排叶片的周向相对位置对叶栅的启动性能有显著的影响，并 给出了压比和效率达到极值时的周向匹配位置。r o y b r a o ps e ”】通过优化前、 后风轮的转速匹配及轴向间距，使得设计的对旋式轴流风机获得了较大范围的高 效运行区及较低的运行噪声。f u m k a w a a ，c a oy 【1 4 l 等人改变后置叶轮转速的实验 结果表明：在最优匹配转速下，对旋式轴流泵与普通导叶式轴流泵相比，其运行 高效区要宽2 3 。文献1 中对于前后叶轮的转速比分别采用1 5 ：1 ，1 ：1 ，0 6 4 ：1 ， 实验的结果表明对旋式轴流风机要比固定导叶式轴流通风机具有更高的效率和 更好的经济性。p t m d h i rd s e ”1 考察了3 种转速比( 1 ：o 即固定导叶压缩级，1 ：1 、 1 5 ：1 ) 的对旋式压缩机的结果表明前后叶轮的转速比是影响对旋级轴流压缩机失 速裕度、运行高效区范围、对旋级压升的关键原因之一。 1 3 存在的问题 本文中所设计的双向轴流泵作为一种新型的特殊轴流泵类产品，我们可 以参考其它轴流泵给出其整体结构设计，但是由于双向轴流泵结构型式的多样 性，我们必须要了解不同结构型式下的泵性能的优缺点。目前，我们还未曾检索 到有关该新型泵在不同型式下的性能比较的文献。任何一种叶轮机械，其叶 轮内部流动情况是一直都是泵设计人员十分关注的问题，因为泵内流动的优劣直 接影响着泵的性能。但是对于本文所研究的双向轴流泵，国内外还未曾给出其内 部比较精确的三维流动状况，因而对于该泵叶轮内部的流动状况，将是本文着重 介绍的一个章节。 江苏大学硕士学位论文 1 4 本文研究的主要内容 由于本文所设计的特种双向轴流泵在国内外的文献中未曾有过提及，因而对 于该泵的设计没有现成的理论可以应用，同时也没有成熟的该泵的模型可以作为 参考，因而本文对于该特种泵的设计也处于摸索地阶段。 对于水力机械的设计和改进，一般遵循先简单后复杂的设计过程。鉴于本文 所设计的特种双向轴流泵的理论的不完善性，本文对于该泵的研究主要采取以下 三个步骤。 1 由于该泵也是属于轴流泵的研究范畴，因而对于该泵的初始设计过程遵 循一般的轴流泵设计理论。对于轴流泵叶片的设计，由于扭曲叶片和直立叶片都 能够大致反映出轴流泵的一般规律，同时考虑到为了方便该泵叶轮的三维造型以 及该泵在今后的加工和制造的方便性。决定首先选择平板直立叶栅型的叶轮。 2 采用三种结构型式分别构造了三种不同双向轴流泵的叶轮，并通过三维 造型软件p r o e 完成双向轴流泵叶轮的三维实体造型。由于该叶轮采用了三种 不同的双向结构型式，为了便于对不同的结构型式的叶轮内部流动情况进行分析 和比较，在三维实体造型中要确保三种不同结构型式下的叶轮的主要尺寸保持一 致。 3 完成实体造型后，通过c f d 前处理软件g a m b i t 对该泵的叶轮内部流道 进行较为精细的网格划分。然后利用目前在叶轮机械内部流动研究中比较常用并 经过实践检验的计算流体力学商业软件f l u e n t 来对叶轮内部流动区域的流动 进行全三维的紊流数值模拟，以期获得比较精确的叶轮内部的三维流动情况。最 后对三种不同结构型式的叶轮内部的流动结果进行综合分析，得出不同结构型式 的双向轴流泵叶轮的内外特性。通过对内外特性进行分析比较后，对不同结构型 式的叶轮的性能曲线进行预测，希望通过预测的性能曲线预测出性能最优的种 结构型式所构造的双向轴流泵。 江苏大学硕士学位论文 第二章双向轴流泵结构设计和三维实体造型 2 1 双向轴流泵结构设计 2 1 1引言 本文所要设计的双向轴流泵，由于没有相对成熟的泵模型进行参考，所以必 然需要进行一定的设计尝试。另外为方便今后对该泵进行试验研究，必然要使得 所研制的泵便于加工和制造。鉴于上述的原因，本文所设计的双向轴流泵遵循设 计简单，能够比较准确的反映这种双向轴流泵的性能特点的原则，摒弃了一般轴 流泵需要设计扭曲叶片而造成加工和制造复杂的缺点，初步选取平板直立的叶片 以降低叶片的三维实体造型和加工的难度。 考虑到制造实际的泵的成本太高，本文进行了模型泵的参数设计。模型泵的 设计流量为5 4 m 3 h ，扬程4 5 m ，转速为2 9 0 0 转分钟。轮毂直径定为4 0 m m ， 轮缘直径为8 0 m m 。在这样的设计参数下按照相似定律的换算，可以得出当换算 成轮缘直径为2 5 0 m m 的轴流泵时，扬程可以达到4 0 m ，流量达到1 8 0 0 研3 h 。 2 1 2 圆柱层无关性假设和叶栅理论 液体质点在以泵轴线为中心线的圆柱面上流动，且相邻各圆柱面的液体质点 的运动互不相关。即在叶轮的流域中，不存在径向分速度( v ，= 0 ) 。显然，圆柱 面即是流面。 根据圆柱层无关性假设，可以把叶轮内复杂的运动，简化为研究圆柱面上的 流动。在叶轮内可以做出很多这种圆柱面，每个流面上的流动可能不同，但研究 方法是相同的，因而只要研究透彻一个流面的流动，其他流面的流动也就类似地 得到解决。 圆柱面沿母线割开后，可以展开在平面上。圆柱面和各叶片相交，其截面( 翼 型剖面或翼型) 在平面上构成一组叶栅。 这组叶栅具有如下特点： 1 可以展开在平面上，即属于平面叶栅 2 平面上的叶栅列线为直线，即属于直列叶栅。 江苏大学硕士学位论文 3 栅中各翼型的间距相等，液体绕流每个翼型的作用均相同，分不出边界 翼型，即属于无限叶栅。只要研究绕流叶栅中一个翼型的流动就代表了 整个叶栅的流动。于是，研究轴流泵叶轮内的流动，就简化为研究对应 的几个圆柱流面的叶栅中翼型的流动。几个圆柱面上的翼型串起来，就 得到了轴流泵叶片。 2 1 3 双向轴流泵首级叶轮参数的确定 对于要满足大流量高扬程的轴流泵，单级叶轮显然已经满足不了要求，因而 设计的思路肯定是要转变到增加叶轮级数上面来眦】【1 3 “l ，通过增加次级叶轮，可 以提高整个轴流泵的扬程。每级叶轮设计为均分扬程，本文所要求的扬程为 4 5 m ，这样每级叶轮所需达到的水头为2 2 5 m 。这样可以得出每级叶轮的比转数 大致为忆= 爹多乎= 7 5 0 ，完全满足轴流泵比转数的要求，因而每一级叶轮可 以采用一般轴流泵叶轮的设计方法来进行设计。 由于本文所设计的双向轴流泵的叶轮是选取的平板叶片，这种叶片的翼型的 弦线是一条直线。并且由于是直立叶片，在各个不同的半径下，叶片的几何参数 是大致相同的，为此，本文的叶轮设计采用沿径向变环量分布的设计方法，在每 一个不同半径下的翼型截面的成角相同。下面给出首级叶轮具体的参数设计公 式。 首先给出设计参数，其中q = 5 4 坍3 h ，扬程，转速h = 2 2 5 m ，轮毂直径为 d = 4 0 m m ，轮缘直径为d = 8 0 r a m 。 由于本文的理论设计是要和数值模拟的结果相互比较的，因而在本文中假定 容积效率和机械效率为l ，水力效率按照一般轴流泵的水力效率公式估算为： 玎一= 1 一可匿j f 0 二石4 2 面2 。7 4 ( 2 - 1 ) 根据比转数为7 5 0 ，选择叶片数z = 4 。 理论扬程耳= h l r l = 2 2 5 0 7 4 = 3 m ( 2 2 ) 圆周速度为： “，= n n d ( r ) 6 0 ( 2 3 ) 轴面速度为： 江苏大学硕士学位论文 望 ： 竺! ! ! 塑 三( d 2 一d 2 ) 3 1 47 4 o 0 8 2 一o 0 4 2 = 3 9 8 m j( 2 4 ) 考虑轴向速度的影响，设半径r 处有环量r ( r ，该处提供的理论压头为 日，( ，) ，轴向速度为v 。( ，) ，则在，处厚咖的圆筒内的理论输出功率为 d n r = h t ( r ) d q p = 2 n v 。( ，) g 凹，( r ) 毋 ( 2 - 5 ) 又因n r = e 卯 ( 2 - 6 ) 在本文中假定轴向速度v ，( ，) 不变，对于2 - 4 式从叶片根部到叶梢积分可得： v 。r 2 艚旭( ，) 咖= v ，c o z r f ( r ) r d r = 只q g ( 2 - 7 ) 又因为r ( r ) = 2 n r v 。= 2 n r ( u ，一c t g f l = v 。) z ( 2 8 ) 将各个数值代入可求得反= 3 0 。 考虑到本文由于设计的是多级的双向轴流泵，各级之间必然会产生一定的能 量损失，因而为了达到设计扬程，本文提高了一定的叶片入口角度，确定 风= 4 5 。 对于翼型的弦长的尺寸的确定，由于叶片数选择为4 ，根据公式 ，f ：o 7 5 0 8 5f ：丝( 2 9 ) z 计算得出z = 3 2 m m 。 2 1 4 双向轴流泵叶片翼型的选择 本文所设计的双向轴流泵，具有一般轴流泵所不具有的双向运行，高扬程的 特点。为了满足双向运行的要求，同时为了保证加工的方便，本文在设计初期选 择了两种不同的翼型：一种是一般轴流泵中比较常见的n a c a 6 5 翼型( 如图2 - 2 ) ， 另一种是双头对称翼型( 如图2 1 ) 。为了对这两种翼型的正反性能进行一定的分 析，本文设计了进口安放角均为4 5 。，分别采用n a c a 6 5 翼型和双头对称翼型 的两个单级轴流泵，并对其正反向的内部流动分别进行了数值模拟。通过数值模 拟的结果，本文得出如下结论： 江苏大学硕士学位论文 图2 1 双头对称翼型 图2 - 2n a c a 6 5 翼型 ( 1 ) 采用n a c a 翼型所设计的轴流泵，对于流体正向流动时，由于其的翼 型比较符合流体的流动规律，因而其的流动情况较好，能够达到理论设计扬程。 通过数值模拟的结构可以得出其的水头大致为2 9 m ，但是当叶轮进行反向转动， 流体从原先的出口进入时，此时的翼型处于反拱状态，引起了水头的大幅下降。 此时从数值模拟的结果可以得出其的水头大致为2 m 。 m a s s w e i g h t e da v e r a g e f e t a lp ressure(pascal) i n l e t4 s 1 5 9 2 4 1 o u t l e t3 3 4 3 0 3 们 图2 - 3n a c a 6 5 翼型正向流动时的进出口平均总压 m a s s w e i g h t e da u e r a g e t o t a lp r e s s e p e ( p a s c a l ) i n l e t一3 5 9 4 9 2 7 7 o u t l e t 1 7 7 2 1 5 6 3 图2 4n a c a 6 5 翼型反向流动时的进出口平均总压 ( 2 ) 当采用双头对称翼型时，翼型在正反转的情况下形状相同。虽然通过 数值模拟的方法可以得出当采用双头对称翼型来设计轴流泵时，其正向流动时所 产生的扬程大致为2 8 m ，要比采用n a c a 6 5 的轴流泵的扬程要低一些，但是考 虑到当其叶轮反转时，如果不考虑进出口不同的流入条件，可以认为正向和反向 流动的状况是相同的。因而本文并没有给出对称翼型反向时的进出口平均总压， 而认为其和正向时相同。 m a s s w e i g h t e da u e r a g e t o t a lp yessure(pascal) i n l e t1 3 7 3 6 8 1 7 o u t l e t2 9 7 2 7 7 6 8 图2 5 对称翼型正向流动时的进出口平均总压 通过数值模拟的结果分析得出，本文优先采用了双头对称翼型来对该双向轴 流泵进行设计。通过采用此种翼型，可以使得一般的轴流泵具有了双向轴流泵的 江苏大学硕士学位论文 正反转特性，但是只对翼型进行改进是无法提高轴流泵的扬程的。本文通过借鉴 前人的经验和方法，提出以下三种通过对一般轴流泵进行结构改进以提高扬程的 方法。 2 15 双级带导叶叶轮的结构型式 由于双级带导叶叶轮之间通过设置导叶来消除首级叶轮出口所产生的环量， 所以进入次级叶轮的流体认为是无环量的。这样在认为首级叶轮和次级叶轮产生 的水头相同的前提下，可以设定首级叶轮和次级叶轮的参数相同。因而次级叶轮 无需另外进行设计。 在多级轴流泵两级叶轮之间一般设计弯曲导叶来消除预旋【l ”，但对于本文所 设计的双向轴流泵而言，为要满足双向进出水的要求，设计弯曲导叶的方法并不 适用。因而本文采用了在两级叶轮之间设置竖直隔板( 即相当于直导叶) 的方法 来消除环量。为使隔板之间的流体充分流动，隔板的长度设置较长，定为4 0 m m 。 选择隔板数分别为4 、6 、8 进行了一定的数值模拟，从最终的模拟结果发现隔板 数为6 的流动状况最为理想，因而在本文中选取六片竖直隔板。但是在模拟的过 程中发现直导叶的设置违反了一定的流动规律，会造成较大的能量损失。关于这 方面的内容，本文将在第五章中做比较详细和直观的说明。 2 1 6 应用串 i j l - t 栅理论的叶轮结构型式 通过借鉴在压气机和风机的设计中应用较为广泛的串列叶栅理论来对轴流 泵进行结构设计【1 6 】【1 7 。对于两级叶栅都为动叶的叶轮，在运用串列叶栅理论来设 计时，可以达到流量大，扬程大的优点【4 1 【”。这种理论设计方法实际上是相对于 第一种结构设计中加导叶以达到消除次级叶轮出口预旋的方法进行改进的方法， 用串列叶栅方法设计，大致相当于在两级叶轮之间不安装导叶，次级叶轮直接于 首级叶轮的旋转尾流中。根据叶栅理论，对次级叶栅进行进口速度三角形分析。 b皱 c 1 么 淹、 务沁 a l j l i o 图2 6 串列叶栅次级叶轮速度三角形 对于首级叶轮，本文假定水流进入时无预旋，因此可以选择上述确定好的首 9 江苏大学硕士学位论文 级叶轮的参数；而对于次级叶轮，考虑到首级咔轮对其的影响，如果忽略两级叶 轮之间的速度损失，则首级叶轮出口水流的绝对速度与次级叶轮的进口相同。因 此次级叶轮进口边的速度周向分量等于首级叶轮的周向诱导速度。在计算次级叶 轮时，首级叶轮的各剖匿的周向诱导速度均己求出，收益在计算次级叶轮的各剖 面相对速度时，应该减去首级叶轮相应剖面处的周向诱导速度。在这一原则下， 我们若假定次级叶轮的主要尺寸参数和首级叶轮的参数大致相同，可以很方便的 求出次级叶轮的入口角鼠。 将公式( 2 7 ) 改为 r ( r ) = 2 n r ( u ，2 一c t g , 8 。2 v 。一“n c t g p 。i v 。) = 2 月r ( c 蛾l c t g z 2 ) v ， ( 2 1 0 ) 并利用公式( 2 - 1 ) - ( 2 8 ) ，可以得出次级叶轮的入口角成：= 7 0 。 考虑到串列叶栅所设计的轴流泵的效率较高，并且没有中间导叶的能量损 失，因而稍微降低了次级叶轮的入口角度，设计为6 5 。 按照串列理论设计好双向轴流泵的首级和次级叶轮后，要适当的安置前后两 级叶轮的相对位置，在本文所设计的双向轴流泵中，两级叶轮之间的轴向距离是 对于流动的影响是比较重要的。当前后两级叶轮之间的轴向距离很小时，由于后 排叶栅的存在，就会改变前排叶栅出口处的压力和液流角，而前排叶栅的存在， 也会改变后排叶栅的流入情况。轴向距离增大，将会增加两级叶轮之间的沿程损 失，液流之间的旋转角速度也会随着轴向距离的增大逐渐衰减。，这样就会造成 次级叶轮实际进流的情况变得非常复杂，造成设计的取值误差增大。因此本文所 设计的双向轴流泵希望轴向距离较小，取值为l o m m 。 对于本文所需设计的双向轴流泵而言，由于其要双向运转，必须要考虑到该 设计方法中叶片进口角度的可调节性，因而这种结构设计必须设计为可调节叶 片。 2 1 7 对旋式叶轮结构型式 对旋式水泵一般作为喷水推进器中的能量转换装置，具有流量大，扬程高， 运行高效区宽的特点。对旋叶轮设计理论实际上也是采用了通过增加次级叶轮来 提高扬程的方法，但是它和本文所提出的第一种带导叶的叶轮理论不同：带导叶 的叶轮理论的设计过程中是设定两级叶轮的转速相同，旋向相同，可以将两级叶 i o 江苏大学硕士学位论文 轮设计在同一根轴上，在工作时只需要安装一台电机来带动该泵工作，当需要反 向抽水时，将电机反转即可；而对旋式叶轮的设计时，需要考虑到前后两级叶轮 的旋向是相反的，在工作时需要在首级叶轮和次级叶轮分别安装不同的电机来带 动该泵工作，这两台电机在运行时转向是相反的，两个叶轮之间的流体是互相干 涉耦合的。当需反向抽水时，将两个电机同时反转以工作。 运用对旋式理论来设计双向轴流泵比较困难，在本文中由于需要考虑泵的双 向运转，当首级叶轮的主要参数确定了以后，次级叶轮的主要参数必须要和首级 叶轮的主要参数相同，其中主要的差别在于首级叶轮的进口角和次级叶轮的叶栅 进口角是相互镜像的，上文中双向轴流泵的首级叶轮的参数已经确定，因而可以 比较方便的完成次级叶轮的设计工作。 对于对旋式理论设计出的双向轴流泵的首级叶轮和次级叶轮之间的轴向间 距，分析和串列叶栅大致相同，而且由于首级叶轮出口的环量和次级叶轮出口的 环量截然相反，在首级叶轮和次级叶轮的轴向距离中的流体，由于受到两级叶轮 之间的干涉和耦合效应，其中的流动必然是非常的复杂，因此轴向距离因而尽量 的小，在本文中取值为l o m m 。 2 2 双向轴流泵的叶轮的三维实体造型 使用p r o e 对本文所设计的三种双向轴流泵进行三维实体造型，关键是解决 双向轴流泵叶片的实体造型。对于所设计的轴流泵而言，由于其是直立叶栅型的 叶片，对于我们的实体造型简单了很多。通过p r o e 首先进行叶片翼型的绘制， 绘制了翼型后利用p r o e 中的拉伸命令，可以很方便的完成叶片的实体造型，对 于轮毂的绘制，我们还是采用拉伸的方法，由于本文最主要的是为了完成该泵内 部流动区域的绘制，我们省略了轴的实体造型。通过参照双向轴流泵的主要设计 参数，我们很容易的完成了双向轴流泵的主要部件叶轮的实体造型。其的实 体形状请参看图2 7 、2 8 及2 - 9 。 江苏大学硕士学位论文 图2 7 带有导叶的叶轮 图2 8 串列叶栅设计的叶轮 图2 9 对旋设计的叶轮 1 2 江苏大学硕士学位论文 3 1概述 第三章紊流理论基础 紊流研究已有一百多年的历史。1 8 8 3 年r e y n o l d s 推出了n a v i e r - s t o k e s 方程 的时均方程即雷诺方程，1 9 2 1 年t a y l o r 提出了相关量的概念，1 9 3 6 年又提出了 各态历经假说，这些概念和假说为现代紊流研究奠定了理论基础，也标志着紊流 研究从此进入了一个新的阶段，紊流研究随之出现了统计和结构两大学派。由 t a y l o r 、k o l r n o g o r e v 、周培源等人创立的统计学派，以雷诺平均及各态历经假说 为基础，建立了系统的经典结构理论，反映了紊流的随机性，但这套理论无法解 释和模拟紊流的拟序结构。由e m m o n e s 、k l i n e 等人创立的结构学派，着重从实 验研究的拟序结构，但却不能建立起任何的理论体系。 统计学派认为，紊流可以看成是由不同尺度的漩涡叠合而成的流动，这些漩 涡的大小及其地旋转方向都是随机的。大尺度漩涡主要是由流体的边界所决定 的，其尺度可以和流场的大小相比拟，它是引起流体运动参数低频脉动的主要原 因；小尺度漩涡主要是由流体的粘性所决定的，其的尺度只有流场的于分之一或 更小，是引起流动参数高频脉动的原因。大尺度的涡旋碎裂后形成若干小尺度的 涡旋，小尺度的涡旋碎裂后成为若干更小尺度的涡旋，在紊流已充分发展的区域 中，流涕的涡旋尺度在相当宽的范围内连续变化，大尺度涡旋不断从主流中获得 能量，通过涡旋的相互作用，能量逐渐向小尺度涡旋传递，最后，由于流体粘性 的作用，小尺度涡旋逐渐消失，机械能转化成流体的热能。同时由于边界的作用， 新的漩涡又不断生成，这样就构成了紊流运动f 1 8 】。 一般认为，尽管紊流流场表现出极强的不规则性和随机性，但它仍然是粘性 流体的一种运动形式，因而n s 方程仍然是紊流的控制方程。从数学的角度上讲， 只要给出相应的紊流存在的边界条件和初始条件，紊流问题的数值解是完全可解 的。然而要正确地反映出紊流的流场信息，空间网格划分至少要和小漩涡的尺度 相当，即k o l m o g o r o v 尺度，时间步长也要反映出小漩涡的高频脉动。这就要求 计算机的内存和计算速度都要很高，就目前的计算机技术而言是难以达到的。而 且，即使得到了紊流流场的数值解，从工程上讲也无多大的实际意义。工程师感 江苏大学硕士学位论文 兴趣的是流场中物理量的宏观平均行为，因此，工程上多用时均n s 方程来描述 和求解紊流问题。 3 2 紊流基本方程 ( 1 ) 紊流物理量时均定义及性质 紊流物理量对时间平均值的定义有两种，即经典的r e y n o l d s 定义和f a v r e 质量加权平均的定义。对于不可压流体的紊流流动一般采用r e y n o l d s 平均法 按照r e y n o l d s 平均的定义方法，任一个变量中的时间平均值定义为： 歹2 古一p ) a t 。 ( 3 - 1 ) 其中时间间隔出相对于紊流的随机脉动周期而言足够大，但相对于流场的各个 时均量的缓慢变化周期来说，应该足够小。 如果时间平均值随时间而异，称为非稳态的时间紊流，如果时均值不随时间 而异，则称为准稳态紊流，简称稳态紊流。在叶轮机械内部的紊流流动中，一般 认为时均值是不随时间而变化的，因而可认为是稳态紊流。 物理量妒，时均值歹及脉动值之间有如下关系： 庐= 万+ ( 3 2 ) 如果设置及，为瞬时值，及厂为相应的脉动值。则有以下基本关系成立： 7 = o ；妒= ；妒+ 妒7 = 妒 牵 = 专n 牵 ? = 镟牵 = c f ；辑= 夺 斗审 盟：堕丝：鲤盟：盟 舐。苏。a t研缸j缸j 篆：o ；豢= 。 s ， ( 2 ) 时均连续方程 将三个坐标方向的瞬时速度表示成时均值和脉动值之和并代入连续性方程， 再对该式坐时均运算，得： 垫地+ 垫幽+ 垫型! ：盟+ 互+ 卫+ 堡+ 里+ 里：o ( 3 - 4 ) a x a y a z。) c 却 a za x 却8 z 1 4 江苏大学硕士学位论文 显然有： 堕+ 堡+ 型：0 础卯 出 蕊t0 , 7 f 蕊f + + = 0 出 砂 出 这两个式子表明，紊流速度的时均值仍满足连续性方程。 (