不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究_图文

1、浙江理工大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：泡尖山砂签字日期：如年丐月日学位论文版权使用授权书删愀本学位论文作者完全了解浙江理工大堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆堡王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以

2、采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：沼驻山冶签字日期：年弓月日导师签名：霞玲签字日期：跏；年月日不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究摘要随着科学技术以及计算流体力学的不断进步，离心泵的应用领域在不断拓展，应用范围也越来越广。而开式叶轮离心泵在一些场合也发挥着举足轻重的作用，目前，离心泵输送介质也趋向多样化，由于开式叶轮只有部分后盖板，相对于常规叶轮来说，开式叶轮便于加工制造。并且开式叶轮与壳体之间的间隙较大，因此能够输送含有微细杂物、粘性的介质。然而

3、，汽蚀现象作为水力机械普遍存在的问题，一直制约着水泵行业的发展，影响着泵的运行稳定性和可靠性。本文采用数值模拟和试验相结合的方法，对具有不同叶型的全开式叶轮离心泵分别在非汽蚀和汽蚀工况下进行了数值计算。主要研究内容如下：（）采用三维实体建模软件对离心泵的主要过流部件进行实体建模，主要过流部件包括诱导轮、叶轮以及蜗壳，根据实际要求分别创建全开弯叶片叶轮和全开直叶片叶轮。将整机导入前处理软件进行网格划分，然后利用软件分别对不同叶型离心泵进行了简单的非汽蚀工况下的数值模拟，分析不同叶型对叶轮以及诱导轮内部压力和速度分布的影响。（）通过在汽蚀工况下对离心泵的数值计算，研究了不同叶型在同一时刻不同汽蚀余

4、量下叶轮内部空泡相的分布以及临界汽蚀余量下不同时刻叶轮内部空泡相的分布。（）在同一试验台上，分别对全开直叶片叶轮和全开弯叶片叶轮离心泵进行外特性性能试验和汽蚀性能试验，通过试验得到不同叶型的全开式叶轮离心泵在不同工况下的性能特性曲线和设计流量点下的汽蚀性能曲线，并将数值模拟结果与试验研究结果进行对比分析。关键字：全开式叶轮；离心泵；低比转速；汽蚀性能；数值模拟；试验研究浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究，：（），（）（），浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究，：；浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研

5、究目录摘要目录一第一章绪论课题的来源及意义开式叶轮离心泵内部流动研究现状一汽蚀特性的研究现状本文研究的主要内容一第二章离心泵非汽蚀工况下的数值计算离心泵的主要几何参数和三维模型数值计算方法网格划分边界条件数学模型计算结果分析压力分析一速度分析离心泵性能预测本章小结第三章离心泵汽蚀工况下的数值计算汽蚀数值计算方法数值计算结果分析同一时刻不同汽蚀余量下叶轮内的空泡体积分布同一时刻不同汽蚀余量下诱导轮内部空泡体积分布不同叶型叶片吸力面的空泡体积分布不同时刻叶轮内部空泡体积分布离心泵汽蚀性能预测本章小结第四章全开式叶轮离心泵的试验研究试验内容试验装置试验方法外特性试验方法一汽蚀性能试验方法一试验结果性

6、能试验结果汽蚀性能试验结果本章小结第五章总结与展望全文总结工作展望参考文献致谢攻读硕士期间的研究成果第一章绪论课题的来源及意义随着社会的发展和科技的进步，离心泵在农业工程、石油化工、航空航天、能源工程、冶金和轻工业等领域占据非常重要的地位【¨。其中低比转速离心泵由于其高扬程，小流量的特点，其用途也越来越广泛。叶轮是离心泵中最关键的部件，其结构形式主要有闭式、半开式和全开式三种。开式叶轮低比转速离心泵在现在工业中也具有广泛的应用，由于开式叶轮离心泵在工作时，叶轮与盖板之间存在一定的间隙，从而避免了叶轮与离心泵之间的碰撞和摩擦。由于叶轮与盖板之间存在一定的间隙，因此开式叶轮离心泵主要用在

7、输送含有固体颗粒的场合或者介质的粘度较大的场合。随着离心泵输送介质的多样化，特别是离心泵在输送气化介质和气体低温液化输送等应用领域，这些都对离心泵的汽蚀性能、工作稳定性提出了更高的要求。随着计算流体力学的发展和科技的进步，数值模拟的计算方法在科学研究中的应用越来越广泛，并且也取得了一定的成果。尤其是水利机械的研究过程中，数值模拟起到了重要的作用。通过对研究对象进行数值计算和试验研究，然后通过数值模拟分析内部流体的二次流动、边界层等复杂的三维粘性流动。国内外学者对离心泵内部流动机理进行了一定程度的研究，但是对全开式叶轮离心泵由叶型引起的内部流动的不同的研究却较少。本文将全开式辐射型以及全开式圆弧

8、型叶轮低比转速离心泵作为研究对象，通过对模型泵在非汽蚀工况和汽蚀工况下的数值计算，分析不同叶型的全开式叶轮离心泵内部压力与速度的分布，汽蚀现象在叶轮内部的发展，在相同工况下采用不同叶片形式的叶轮对离心泵内部气泡相分布的影响；以及同一时刻不同汽蚀余量下两种叶型叶轮内部的空泡体积分数分布情况。此外，我们还对具有不同叶型的模型泵进行了外特性和汽蚀性能的试验研究，将试验结果与数值计算结果进行对比分析。在研究的过程中，通过理论与工程实际相结合，为提高离心泵汽蚀性能、水力效率、降低能耗提供一定的理论依据。本课题来源于国家自然科学基金项目（：）：不同叶片形状的开式叶轮离心泵内部流动特性研究。浙江理工大学硕士

9、学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究开式叶轮离心泵内部流动研究现状开式叶轮除了在航空航天燃料泵等领域得到运用外，在石油工业、建筑消防等领域也得到了广泛的应用。由于只有后盖板，相对于常规叶轮来说，开式叶轮便于加工制造。并且开式叶轮与壳体之间的间隙较大，因此能够输送含有微细杂物、粘性的介质，性能曲线比较“平坦”运行平稳可靠。图为开式叶轮离心泵的性能曲线。图开式叶轮离心泵性能曲线由于开式叶轮离心泵具有以上的这些优势，因此，它在日常生活和国民生产中的应用越来越广泛。近年来，随着国内外石化工业和航天技术的不断发展，各行业对开式叶轮离心泵的需求也越来越急切，可见，开式叶轮离心泵在国内也占据

10、着巨大的市场份额，并且有着重大的发展前景。开式叶轮离心泵主要用作航空航天领域的燃料泵，另外还从国外大量引进了开式叶轮离心泵。在国内外一些学者对离心泵也进行过一定的研究，但是针对开式叶轮低比转速离心泵的研究相对较少，并且还未能形成一定成熟程度的技术理论基础。针对离心泵的研究主要包括数值模拟、理论分析以及试验研究三种方法。目前，在试验研究方面，国内外许多学者也已经进行了一定程度的研究。在国内，关醒凡系统介绍了不同类型泵的各种性能参数的测量方法、不同试验装置系统以及试验结果的获取和处理等方面的内容【】；袁寿其通过正交试验研究了主要几何参数对离心泵最大轴功率及其流量点的影响，并且在文中也推导了离心泵最

11、大轴功率值及其流量点的计算公式。结果表明，轴功率并非随流量的增大一直呈现增大趋势的，轴功率也存在最大值，并且这个结论与理论分析也是相符的，这就为设计出具有优良轴功率性能的低比转速离心泵提供了一定的基础。此外，合理的几何参数的选择是达到泵设计指标效率直的前提和保证【】。朱祖超为了浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究探讨叶轮的结构及参数对泵性能的影响，通过试验研究了一高速开式离心泵。试验发现，泵的扬程系数较高，且当试验的工况一定时，蜗壳喉部的面积是决定泵工作范围的主要因素【。孙荪等人采用技术对半开式叶轮离心泵在三种工况（即小流量点、设计流量点和大流量点）下进行了内部

12、流动的测量与分析。试验选择了不同位置的观测点进行了测量。此外，文中介绍了试验测量的装置和测量方法，测量结果表明，测量技术能够获得这个叶轮内部的流速分布情况，揭示了半开式叶轮离心泵的内部流动特性，由于受蜗壳的影响叶轮内部的流动呈现一定的非对称性。李光智等通过试验的方法研究了离心泵内部损失对效率的影响。结果表明，水力损失和容积损失对开式叶轮离心泵效率的影响较大，这与半开式叶轮只有后盖板的结构有一定的关系刖。操松林等对开式叶片泵进行了实验研究，对泵体与叶轮之间的间隙对泵性能的影响进行了分析。研究对比研究发现，半开式离心泵和混流泵的间隙在时泵的性能最好，而对于轴流泵来说，间隙在的范围之间时泵的性能可以

13、达到最优【】。裴毅等实验研究了泵运转过程中转速的变化对性能的影响，实验对开式和闭式的实验回路分别进行了研究，并结合实际的实验数据和模拟的计算结果对转速对功率的影响进行了详细的分析。实验得出，在开式系统中泵的效率受静压的影响较大，同时还得出闭式系统的效率是开式系统效率，开式系统的性能较优】陈茂庆等通过理论研究给出了开式泵的水力设计公式，然后通过试验的方法对其水力设计公式进行了验证；此外，还对闭式叶轮离心泵和半开式叶轮离心泵分别进行了试验研究，通过对两种叶轮离心泵性能试验以及叶片端面和承磨板间隙的试验研究，结果表明，闭式叶轮离心泵的性能优于开式叶轮离心泵，叶片端面和承磨板间隙对离心泵的性能产生一定

14、的影响，在一定流量下，扬程和效率随间隙值的增大而降低【¨】。孙德明等主要运用加大流量设计法对切线泵进行了研究，文中主要介绍了加大流量设计法的设计原理并通过实例验证了，通过此方法可以提高离心泵的效率，为了验证此方法的可行性，文中选取了一系列泵做了相应的验证，通过实践发现加大流量设计法对小流量工况的效果比较明显，这对提高低比转速离心泵效率提供了一定的参剖】。张德胜等对低比转速离泵进行了种不同设计方案的设计，并对设计的泵的静压、速度、湍流度等内部流动特性进行了模拟分析。通过实验研究进行对比结果表明，第四种设计方案下设计的泵性能最优【。近年来，随着计算机性能的提高和计算流体力学（快速发展，）

15、技术己成为研究各种流动问题的强有力的工具，通过技术对离心泵叶轮内部流场分析研究，对叶轮等过流部件进行设计和优化，己成为现代水泵技术的重要气浙江理工大学硕士学位论文手段之一。不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究崔宝玲等采用软件对一台具有诱导轮的开式叶轮离心泵进行了研究，数值计算采用控制方程和一占湍流模型，主要对叶轮、诱导轮以及蜗壳内部的压力分布以及内部流动情况进行了分析研究，结果表明，蜗舌区域的流动为不均匀流动，并且叶轮内部的流动也存在不均匀性和二次流现象。因此，认为离心泵效率低与叶轮和蜗壳内部流动的不均匀性有关。此外，作者将数值计算预测的外特性与试验所得的外特性曲线进行了对比，从而验证

16、了数值计算的可靠性和准确型】。徐朝晖，吴玉林等为了研究带诱导轮离心泵中流体对诱导轮叶片的作用，文中利用数值模拟的方法对某一高速泵进行了数值计算。计算结果表明，在诱导轮内部存在压力脉动，且部分流体产生的压力脉动对叶片产生谐振，从而引发诱导轮产生裂纹。因此若使诱导轮能够长时间平稳运行，则诱导轮应该在这个谐振区域范围之外运转【”】。张剑慈等采用方程和湍流模型对开式直叶片的叶轮流场进行数值模拟，并通过实验对模拟的结果进行验证。经过对比发现，数值模拟的精确度较高，并且总结了泵的性能受内部流场影响的变化规律，为泵性能的提高和优化设计提供了很好的基础，此外还运用多块网格技术对开式的辐射形和弧形叶轮进行了数值

17、模拟和实验研究。通过两者对比发现，数值模拟结果与试验结果比较吻合，对不同叶形的叶轮流场的研究提供了良好的参考刚。在国外，一些学者也对开式叶轮离心泵通过不同的方法进行了研究。为了研究不同形式叶轮的离心泵的性能，采用闭式叶轮与开式叶轮分别对其性能进行了分析和研究，研究结果表明，在小流量点处，开式叶轮的性能要高于闭式叶轮，与开式叶轮相比，闭式叶轮稳定运行的工况范围较小【】。等分别对开式叶轮与闭式叶轮流道内部的流动情况进行了测量，研究结果表明，叶轮内部存在二次流动，在叶轮进口处有旋涡产生，且在前盖板和后盖板处分别发展成为两个涡流。为了研究半开式后弯叶轮离心泵的内部流动情况，采用激光测量系统对一离心泵进

18、行了测量【。此外，与利用对半开式叶轮离心泵进行了测量，通过测量叶轮内部的速度流动情况，对“射流”结构进行了理论分析研究，同时也与叶轮径向速度进行了对比【】。等在不同问隙下对四种不同叶型的半开式叶轮进行了试验研究，通过试验研究了叶轮与盖板间的间隙对泵的扬程、效率以及汽蚀性能所产生的影响【。【，等为了研究离心泵内部的流动状态，选取了开式叶轮和常规叶轮低比转速离心泵作为研究对象，采用激光多普勒测速仪对其进行了测量分析，试验测量了叶轮内部的速度分布情况以及射流尾迹结构等，为进一步研究以及数值预测提供了一定的参考依据。汽蚀特性的研究现状汽蚀现象普遍存在于水泵、水轮机以及螺旋桨等各种水利机械中，随着机械逐

19、渐向高速的方向发展，汽蚀越来越成为水利机械中至关重要的研究热点。国内外学者针对汽蚀的初生、发展以及溃灭进行了一些研究，同时对汽蚀的产生机理也进行了大量的研究。其中由提出的“气核理论”认为液体中一直存在着一些微小的气泡（即核子），这些微小的核子会随着液体中压强的降低而逐渐膨胀，形成气泡，从而导致汽蚀的产生。此外，许多专家对于该理论也提出了各种不同的设想【川。等人提出不能溶解的气核可存在于非亲水性的固体缝隙中，在此情况下，其表面的张力起了减小压力的作用，因此气体并非被迫溶解，而仍然可能保持气相【。高秋生针对“气核理论”作了进一步深入的探讨，得出在平面完全平衡的状态下，液体内部是不稳定的，不可能稳定

20、的存在纯蒸汽泡，气核只能在憎水性裂隙中稳定存在。随着科学技术的进步和发展、测量仪器和测量手段的提高，激光散射法超声波澍以及水动力学法】等测量方法均证实了气核的存在。潘中永等根据汽蚀余量的计算公式分析了影响泵汽蚀特性的因素【。易运池对某一种微型泵汽蚀的机理进行了试验研究，在研究过程中开展了汽蚀两相流的理论研究，同时也对微型泵进行了三维非定常汽蚀性能的计算，建立了微型泵汽蚀性能的预测模型【引。倪永燕等对一低比转速离心泵进行了试验研究，主要对离心泵的出口压力波动特性和汽蚀性能进行了分析研究，通过分析试验数据中离心泵的装置汽蚀余量和出口压力波动之间的关系可知，汽蚀是否存在于离心泵的出口压力波动特性有明

21、显的对应关系。刘宜等人采用对离心泵在汽蚀工况下对其内部的流动情况进行了非定常数值计算，结果表明，在非定常情况下，离心泵叶轮各个叶片上气泡相分布于实际观察到的结果是一致的；此外也发现，当离心泵内部有较少气泡产生时，外特性变化不大，随着气泡的不断增多，气泡就会堵塞流道，破坏流体的连续性，对泵的性能产生一定的影响。因此，离心泵性能的下降与叶轮内部发生汽蚀的区域不断增大有较大关系，同时也影响到离心泵的平稳运行。这一结果与理论基本吻合，说明数值计算是可靠的，能够在一定程度上反应离心泵内部的真实流动状态，并且为改善离心泵汽蚀性能提供一定的参考依据【】【。刘德民等为了研究诱导轮对离心泵汽蚀性能的影响，对带诱

22、导轮的离心泵进行数值计算。通过对同一离心泵分别安装一级、两级和三级别诱导轮来进行对比分析。文中分别分析研究了离心泵产生汽蚀的原因、诱导轮的特点以及诱导轮与离心泵的配合作用对汽蚀性能的影响。研究结果表明，叶轮前端添加诱导轮是提高离心泵汽蚀性能可靠有效的方法。此外，针对文中的模型泵，叶轮前端安装两级诱导轮时汽蚀性能较好，且能够较大程度的增加离心泵的扬程”。付强等利用一占湍流模型模拟分析离心泵的汽蚀以及汽蚀与震动之间的关系。发现设计工况下的汽蚀引起的震动是最小的，当外界条件固定时，汽蚀的发生区域及气泡大小也是固定的，外界条件改变会引起汽蚀区域大小及持续时间的改变从而影响离心泵的性能。在大流量工况下，

23、汽蚀主要发生在叶轮出口处：在小流量工况下，主要发生在叶轮进口处。汽蚀现象越严重，则震动也就越明显，叶轮出口处是汽蚀经常发生的区域，同样也是震动经常发生的区域。因此，我们必须正确合理的设计进处的几何形状。王勇等本文通过建立神经网络拓扑关系，分析了三种不同转速下的离心泵在设计流量下的几何参数和净正吸入压头之间的关系，以此来预测离心泵的汽蚀性能，同时也是用了标准的一占湍流模型，混合多相流模型和算法计算进口速度和出口压力之间的关系来预测汽蚀性能。结果表明利用数值模拟和神经网络得到的预测值非常接近真实值，但是两种方法也都有自身的局限性。数值模拟需要大量时间建模和计算才可以得到离心泵中汽蚀的特性；神经网络

24、需要进行繁琐的仿真训练，才可以提高预测精度和简历进出口参数变量关系。因此，要得到精确的预测结果，需要适当的选用这两种方法【】。叶晓琰等为了改善离心泵汽蚀性能，采用技术对汽蚀工况下离心泵内部流场进行数值模拟并与实验结果进行对比分析，结果表明技术能够较准确预测离心泵汽蚀性能。江苏大学朱荣生【】扪、黄道见采用两相流混合模型对叶轮内部汽蚀流场进行了数值计算，通过计算得到了叶轮内部气泡相的分布情况以及汽蚀发生过程中叶片上的压力分布情况，根据计算结果中气液两相的流动特性揭示了叶轮内部两相流的流动机理。罗先武，刘树红等针对二维叶片，倾斜叶片两种不同叶片形式的开式叶轮微型泵进行了数值计算，并且进行了汽蚀性能实

25、验。数值计算采用了标准湍流模型和多相流模型。计算结果表明，离心泵的汽蚀性能随着叶尖轴向间隙的增大而下降；对半开式叶轮，采用倾斜叶片的叶轮可以提高微型泵水力性能和汽蚀性能。研究显示，叶轮进口流动均匀是汽蚀眦厶匕：得到改善的重要原因【。汽蚀现象普遍存在于水力机械中，汽蚀会对水力机械零部件造成一定的腐蚀破坏，严重时还影响机械的正常运行。对于离心泵而言，汽蚀依然是其面临的一个难题。因此，对汽蚀产生的整个过程以及汽蚀对流场产生的影响的研究具有重要现实意义。，等对汽蚀现象作了较为完整的研究【、和】分别针对旋涡汽蚀产生的震动、噪音等问题作了专门研究，阐述和分析了一般水力机械中浙江理工大学硕士学位论文不同叶型

26、全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究的汽蚀形式和水力特性。等为了研究汽蚀对泵体振动的影响，采用神经网络法对由汽蚀引起的振动进行了分析【。等通过测量离心泵的振动，压力和噪音，研究分析气蚀开始和充分发展两个阶段的现象。并且使用透明的模型和有颜色的水观察到了气蚀。实验发现泵径向方向上比轴向方向上具有更高的振幅，这可能是由于轴向方向上的刚度较低；此外气蚀现象可能会激发叶轮叶片高频结构的共振频率，而较大的空间则可以减少叶轮叶片振动的振幅。山本隆羲等为了确保泵在安全稳定的状态下正常运行，采用加速度传感器来采集泵运行时的数字振动信号，通过这些信息可以分析当前泵的汽蚀强度。然后，通过进一步的分析和研究可以得到

27、泵的过流部件在不同部位所受到汽蚀的破坏程度。从而判断泵是否能在当前的状态下安全平稳的运行【】。此外，法国的通过速度传感器采集得到的泵在汽蚀状况下运行时的振动信号，然后，根据得到的信号对离心泵的振动特性诊断以分析泵的故障起因并为维护工程师提供维修最佳方案就【¨。采用实验的方法针对利用可听得到的噪声和振动信号对离心泵汽蚀现象的各种检测方法进行了不确定性的估计，尤其是对在较大的频率范围和离散频率下的汽蚀检测的不确定性进行了分析【。在实验过程中利用汽蚀产生的噪声，采用噪声谱结构来测量汽蚀的初生以及发展过程，从而阻止汽蚀的进一步发展。实验结果表明，离散频率在时的噪声主要是由汽蚀引起的。因此，可

28、以利用时的频率来确定泵的汽蚀余量以及控制泵的运行【】。为了研究汽蚀性能的预防和保护，作者对一离心泵在汽蚀工况下进行了研究。通过分析离心泵发出的声音，发现频率为的音频汽蚀产生的过程有很大关系。单独对此频率的声音信息进行深入的分析研究之后发现，离心泵汽蚀产生的初期以及汽蚀的强度都可以通过这些声音信息来进行判断和检测，此外，该方法还可以用于必须汽蚀余量和临界汽蚀余量值的确定。通过此种方法来实现离心泵汽蚀的保护”。等对一台液体火箭发动机泵进行实验，通过频谱分析获得泵内部流动产生的声音、振动、压力等信号数据，试验说明了，通过频谱分析汽蚀在不同阶段所产生的不同信号特征可以很好的研究泵内的汽蚀状况【】。通过

29、实验对离心泵汽蚀的发生进行了分析。实验表明，离心泵抗磨环和密封环处的缝隙与离心泵的有效气蚀余量有关。短期内的高速流体会对密封环产生破坏，同时会伴随着严重的汽蚀发生。等使用压力传感器，对离心泵的汽蚀现象进行了分析。通过实验获得了离心泵的动态压力脉动与气蚀余量的关系，结果表明当汽蚀余量显著下降时，离心泵的动态压力脉动会显著增加。同时压力传感器具有高度的敏感可以用来检测水力现象中的汽蚀等不稳定现象【】。分析了导致汽蚀的各种原因，提出通过减小叶轮汽蚀余量、增大泵尺寸、加诱导轮等方法来减小泵汽蚀余量，同时可通过增大装置汽蚀余量以及选择合适的泵部件材料这三种方法来提高泵的汽蚀性能【引。指出离心泵内流体中溶

30、解的空气、回流、进口流动不稳定以及输入过多的空气均会导致流体中形成气泡，进而在一定条件下产生汽蚀。并指出通过适当降低输送流体的温度、降低离心泵运行转速等方法可以提高泵的抗汽蚀性能，并且可以通过判断泵工作产生的噪音以及运行功耗的增大来判断汽蚀的发生【。等指出诱导轮能有效改善离心泵的汽蚀性能，并通过传感器测量不同工况下诱导轮进出口在发生汽蚀时的压力波动来研究诱导轮内的汽蚀形式。实验发现增大流量系数会导致诱导轮出口部分更容易产生汽蚀【刚。等人发展了完整的汽蚀模型和混合流体两相流模型。在模型的建立过程中，考虑到了汽蚀流动中可能含有不凝结的气体，同时也考虑到了汽蚀流动过程中的相变以及湍流压力脉动等的影响

31、【¨。等人在汽蚀发达的情况下，采用多相流模型对离心泵内部的流动状态进行了数值计算，通过数值模拟对离心泵的性能进行了分析研究。和对两个相似的低比转速离心泵叶轮进行了实验研究。实验表明在不同的部分载荷运行点，这两个叶轮都发生了汽蚀，使得扬程曲线的落差与其他正常的运行点比起来变得缓慢。此外，通过高速摄像仪说明了有汽蚀引起的叶轮内部不稳定性主要是由空泡尾端区域和后一叶片的相互作用引起的【。等通过实验的方法分析瞬间汽蚀现象对泵启动阶段时的影响。结果表明，在瞬态汽蚀状况下会产生各种不同的非定常特性【删。等人对离心泵汽蚀工况下隔舌区域进行了非定常研究，同时通过摄像机记录下发生汽蚀的位置和汽蚀损伤的

32、程度。结果表明，周期性的汽蚀结构发生在每一个叶轮流道内，并且认为扬程下降的可能是由蜗壳隔舌部分的汽蚀引起的，高压区汽蚀的不稳定性对固体表面造成腐蚀【川。等人通过数值模拟分析得到扬程落差与叶轮提供的转矩减小有关，同时也分析了局部流动情况和汽蚀损伤的变化情况，通过分析可知数值模拟能够为叶轮机械的设计提供有用的信息，对于汽蚀工况下非定常的研究正在进行中【引。在汽蚀工况下分别对某一离心泵进行了定常和非定常汽蚀性能的研究，采用两相模型对其进行数值计算，然后将计算结果与试验结果进行对比分析，结果表明数值计算结果与试验结果基本保持一致，从而验证了数值计算的可靠性。综上所述，国内外众多学者对于离心泵已经进行了

33、一定的研究，且主要是通过试验的的研究方法，或数值计算与试验相结合的研究方法对离心泵的内部流动情况进行分析研究。尽管在对离心泵的研究方面已经取得了一定的进展，但是针对低比转速离心泵的研究却较少，尤其是对全开式叶轮离心泵的相关研究很少。因次，本文对全开式叶轮低比转速离心泵的研究具有一定的意义。本文研究的主要内容本文采用软件和分别对直叶片全开式叶轮离心泵和弯叶片全开式叶轮离心泵在非汽蚀工况下进行数值计算和汽蚀数值模拟，针对不同叶型在不同流量点处叶轮内部的流场流动状态以及同一流量点处叶轮内部汽蚀特性分别进行了分析，揭示了不同叶型对叶轮内部流动情况、内部空泡的体积分数分布以及汽蚀性能的影响，并对其进行了

34、外特性试验以及汽蚀性能试验。本文工作主要内容如下：（）运用建模软件对两种不同叶型的全开叶轮离心泵的不同计算区域进行实体建模，其中主要包括诱导轮部分、叶轮部分以及蜗壳部分。进行整机装配后，利用前处理软件对计算模型进行网格的划分，然后在非汽蚀工况下进行数值计算并对计算结果进行对比分析。（）为了研究叶型对离心泵汽蚀性能的影响，本文分别对两种不同叶型的全开式叶轮离心泵在汽蚀工况下进行了数值模拟。根据计算结果分析同一时刻不同叶型叶轮内部的空泡体积分数分布和同一汽蚀余量不同时刻下不同叶型的空泡体积分数分布，从而得出叶型的变化对离心泵汽蚀性能的影响。（）本文对直叶片全开式叶轮离心泵和弯叶片全开式叶轮离心泵在

35、同一试验台上分别进行了外特性试验研究和汽蚀性能试验研究。通过试验，可得到不同流量点的扬程、效率等曲线以及汽蚀性能曲线。然后，将数值计算结果与试验结果进行对比分析，总结叶型对离心泵内部压力、速度分布以及流动流动细节的影响，此外，还通过汽蚀工况下的数值计算，结合试验分析了叶型对叶轮内部汽蚀性能的影响。为提高离心泵的效率，改善离心泵的抗汽蚀性能，降低噪声和振动，提高运行的平稳性提供一定的参考。浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究第二章离心泵非汽蚀工况下的数值计算由于低比转速离心泵体积小且结构复杂，旋转的叶轮与蜗壳之间产生动静部件之间的相互干涉作用，因此，离心泵内部的流

36、动是一个极其复杂的三维粘性的非定常流动。本文采用公司提供的软件对两种具有不同叶型的全开式叶轮低比转速离心泵在非汽蚀工况下进行了数值计算，分析了不同叶型叶轮离心泵在不同工况下内部的压力、速度分布情况。本章主要介绍模型离心泵的三维几何建模、模型的前处理、边界条件的设定、数值模拟的计算方法介绍以及计算结果的后处理分析。离心泵的主要几何参数和三维模型本文的主要研究对象是直叶片全开叶轮离心泵和弯叶片全开叶轮离心泵。模型泵的设计参数为流量，扬程，转速，比转速，属于低比转速离心泵。该离心泵的主要过流部件包括诱导轮、叶轮和蜗壳，这里采用三叶片的变螺距诱导轮，其轴向长度为，如图所示。模型泵主要的几何参数见表。表

37、半开叶轮主要几何参数其中：一叶轮进口宽度；一叶轮的出口宽度，局一叶轮进安装角；卢卜叶轮的出安装角，一叶轮进口直径；一叶轮的出口直径；卜叶片数图三叶片变螺距诱导轮浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究本文所采用的为环形蜗壳，即蜗壳断面形状为圆形。如图为蜗壳的三维模型图，低比转速离心泵采用环形蜗壳时，水力性能得到提高，并且其设计比较简单，易于进行加工制造，所以被广泛采用。图蜗壳三维图开式叶轮只有叶片及叶片加强筋，无前后盖板，结构紧凑，无振动，运行平稳可靠。适用于输送工艺流程中含有悬浮固体的介质。本文所研究的这两种不同叶型的开式叶轮均有个叶片，一个为全开直叶片叶轮，一个

38、为全开后弯叶轮，如图所示。其中两个叶轮离心泵的叶顶间隙均为。渤一型（）直叶片全开式叶轮兮卜一（）弯叶片全开式叶轮（）叶项间隙示意图图两种不同叶型全开叶轮结构及叶顶间隙示意图本文选用三维造型软件对各个过流部件进行实体造型，主要过流部件包括诱导轮、叶轮和蜗壳。如图为各个过流部件的整机三维装配图。浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究（）弯叶片离心泵图整机三维装配图（）直叶片离心泵数值计算方法网格划分将在三维建模软件中建立的整机模型以格式输出，在中进行网格划分。对于结构复杂的模型而言，很难完全进行结构化网格的划分，一般采用结构化网格与非结构化网格的混合网格来进行网格划分

39、，采用这种方法划分网格比较容易成功，并且质量也相对较高。对于结构简单的规则结构则可采用六面体网格进行网格划分。文中由于进出口处延伸段结构较为简单，则采用六面体网格进行网格划分；而诱导轮、全开式叶轮以及蜗壳流道的结构比较复杂，故采用非结构化的网格来进行划分。等人的研究表明，网格数的增加时，由网格所引起的误差会相应的较小，直到最后误差消失，这就是所谓的网格无关性。如表所示。为了避免因网格带来的计算误差，本文针对不同叶型的开式叶轮离心泵，分别实验了种不同的网格数进行网格无关性检查，各部分的网格数如表所示。图分别为诱导轮、叶轮与蜗壳网格示意图。表整机计算域的网格数（）直叶片叶轮（）弯叶片叶轮（）诱导轮

40、（）蜗壳图网格示意图（）整机网格边界条件应用商业软件对离心泵内部流场进行数值计算时，选择正确的边界条件是得出准确结果关键的一步。（）进口边界条件进口边界设置为速度进口（），该边界条件适用于不可压缩介质，本文的流体介质为清水，近似看做不可压流体。设定进口速度方向与模型泵进口截面垂直，其大小由进口流量以及进口处的过流面积决定。其中，进口湍动能七和耗散率经验公式为：七：三（材，）、（）三：”，一（）式中，为湍流长度比；，值取。（）出口边界条件在对模型泵进行数值计算时，无法提前预知道其出口压力及速度，本文选择自由流出边界（），在采用自由流出边界条件时，由于模型泵出口截面通道大小没有发生变化，因此，在计

41、算时，采用完全发展流动假设分布在流动方向上不变化。（）固体壁面条件对于进出口以及蜗壳部件，由于其静止不动，固壁条件设置为静止壁面；诱导轮和叶轮为旋转部件，因此，固体壁面均设置为无滑移的边界条件，在近壁面处采用标准壁面函数。数学模型本文米用两业软件分别对直叶片全开叶轮和弯叶片全开叶轮离心泵内部流场进行数值模拟计算，输送介质为常温清水，而针对以常温常压下清水为介质的全开式叶轮离心泵，其内部流动过程不考虑热量传递和流体介质温度的变化。下面针对本文所研究的模型，在数值计算过程中所选用的基本方程、标准的盯一湍流模型以及壁面函数分别作简单介绍。（）基本控制方程）连续方程如下：望皇逊塑！（）：（）此处引入矢量符号：（妒挚孕孕化（）即：鲁（）（）其中一液体密度，一时间，、和分别是速度矢量在、和方向上的分量。浙江理工大学硕士学位论文不同叶型全开式叶轮离心泵的数值计算与试验研究