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1、离心泵内部流场的数值模拟研究答辩人：指导老师：专业：过程装备与控制工程课题主要内容借助于ANSYS软件平台通过建立离心泵叶轮和蜗壳模型，实现其内部流场的模拟分析，分析操作条件改变时其内部流场变化规律论文框架第一章 绪论第二章 本课题研究对象及所用软件介绍第三章 离心泵内部流场的数值模拟理论基础第四章 离心泵内部流场的数值模拟第五章 结论第一章 绪论1.1 离心泵背景的介绍离心泵背景的介绍泵是将原动机的能量传递给所运送的液体，离心泵是一种时间久远而实用性很广泛的水力机械，历史上第一台离心泵是公元前5世纪葡萄牙人所用的排水离心泵，离心泵的应用遍及于给排水，农业，工业，航空，航海，车辆，能源等。并且
2、随着科技的发展，离心泵的适用范围正在飞速的扩大，环境也越来越复杂。离心泵的运行消耗巨大的能量,根据官方会议报告，我国每年泵消耗的电量大约是全国总消耗电量的20%，其中离心泵消耗的电量就占总发电量的10%以上，但是离心泵的结构相对简单、适用范围非常广，运转比较安全，操作简单，维修方便。截止现在，对离心泵的研究做的还不是很到位，所以对离心泵进行研究具有很大的前景和现实意义。就目前而言，对于离心泵内部流体规律的认知还相当于萌芽阶段，现在对离心泵的设计还不是很成熟,没有一套简洁成熟的理论,这样就让离心泵的设计过程非常复杂并且浪费时间,并且对于人力，物力和财力都有不同程度的损耗。所以,我们通过设计参数对
3、离心泵的各方面性能做较为全面的预测，就可以处理好这些问题了。离心泵的内部结构非常复杂，所以它内部流体的流场分布也非常繁杂,这也给研究离心泵内部流场流动的情况带来很大困难。这些年，世界上对于离心泵内部流场的研究分析收获到了很大的成果。在很早以前，主要是通过实验测得流体流场的内部分布情况,用这种方法来确定离心泵内部结构的合理性是否达标。这些年来,LDV、PDV、PLV、PIV技术的飞速进步，更加丰富了离心泵的内部流场的测量,但是这些测试方法要求大量地财力而且要求拥有比较熟悉的试验技术。离心泵的内部流场数值模拟研究已经相对比较成熟。对于离心泵的内部流场的数值模拟，实现对离心泵的设计的优化，使离心泵的
4、水利性能良好，从而使他达到增效的目的，使非常有意义的。并且借助于CFD模拟的先进的设计方法还能用来弥补以前的设计方法的不足之处，这样我们就可以研究出效率比较高的离心泵，这些方法会对泵的设计研发带来非常大的影响。1.2 本课题的研究背景及意义本课题的研究背景及意义在我国的石油系统方面，离心泵作为产油地刚挖掘出的石油比较短距离输送、石油的管道的比较长距离运送和石油化工中的重要运送装备，离心泵的结构比较简单，操作比较方便，还具有运转很平稳，维护比较方便的好处。所以，它在石油开采方面，运输中和原油的精炼方面实用性非常高。石油方面中常用的离心泵一般为锅壳式离心泵。外离心泵具有效率低、功率大、耗电高等许多
5、特点。而且，离心泵功率消耗已经很大，几乎接近999KW。根据数据显示，到现在为止，油田上所使用的泵的耗电量基本是总耗电量的百分之十二，并且离心泵的耗电量是其中最大的。通过对辽宁辽河油田泵的调查总结，对随便抽查的十五台离心泵进行查看、总结、计算，研究说明基本上一台离心泵浪费功率高达百分之十三，产油地就光凭这方面，每年被浪费掉的电功率就是四千五百万度电，现在石油工业处于高速发展的阶段，离心泵越来越离不开，但是现在的离心泵都有一个问题，那就是效率太低。所以，让离心泵的效率变高，把离心泵对于电能方面的消耗，这样会让国家的经济效益提高，对很多方面都有很大的帮助。本次毕业设计我用工业常用的RY型离心泵为目
6、标，这种系列泵在各个方面算是比较先进和良好地，对于泵的操作相对比较方便，这种泵适合运送液体，温度相对比较高的东西，在石化，机械，合成纤维，油脂，纺织印染，造纸，塑料及橡胶，木材，建筑等各个行业应用都非常广泛。在现实生活中，离心泵的能量损耗比较大，所以就变得可使用能量率相对比较低，离心泵作为现在还欠发达的设备，现在外面卖的离心泵的效率都差不多，比较底下，这样就对能量造成了极大地浪费，这次毕业设计主要研究离心泵的内部流场，表现出离心泵瞬间的流场的分布规律，在我们了解了离心泵内部之后，我们就可以根据他的优缺点来优化他，然后就可以让他的效率提高，降低经济成本，提高纯利润。1.3 国外离心泵技术的发展国
7、外离心泵技术的发展在很多年以前，就有不少人对离心泵内部流场数值模拟研究作了分析。他们用当时所运用的方法来试验，用来了解离心泵叶轮内液体的运行和理想运行之间的差别，八十年代中叶，一个西方的学者用很古老的计算机对一个外琼流动的数值计算完成了。1958年，有两位科学家通过大量的实验证明，在很大的空间里面，叶轮的吸力面是离心泵内能量损失最大的地方。FOELER科学家在二十世纪八六年发现叶轮流体出口跟前的压力远远大于吸入的一面，和他刚开始预测的哪方面的理想情况刚好相反。这两位科学家通过实验发现了离心泵叶轮内部流速和流量对尾迹的影响。他们也通过实验表明了离心泵叶轮内部的流速和流量与锅壳之间的流动的干扰，他
8、们通过实验发现了压力面的波动小于吸力面的压力波动。吸力面进口处的压力最大。西方有很多科学家先后对涡壳的叶轮内部的流量进行了研究，通过多次的实验分析说明，两个结构之间的间隙到达了某一个值以后，离心泵内部锅壳的流量流速对叶轮内部的流量流速的干扰不会太明显，但是离心泵内部的叶轮内流体流出依然不对称。西方科学家运用先进的技术对拥有扩压气的离心泵里面的转子和静子一起影响，对于造成的不同的现象进行分析，研究。1.4 国内离心泵技术的发展国内离心泵技术的发展很多年以前，我国的科学研究人员就对离心泵内流体流动的检测比较进行了研究和分析。二十世纪五十年代，吴中华教授提出了一个通用理论，他就是相对流面，这个理论对
9、离心泵内部流场的数值模拟研究影响是巨大的。江苏某大学的一位教授对另外一种离心泵的模拟研究进行了计算，李海峰，吴玉林教授采用压力修正法对不同的两种离心泵进行了分析研究。这些教授都为离心泵方面的发展做了很多的贡献，国内外很多这方面的教授都对离心泵做了大量的数值模拟研究，大多数专家都为离心泵内部流场做了很多的研究分析，因为前辈们的不舍和进取，所以离心泵方面现在取得了较大的进步。研究出了压力，流速，流量等各个方面的表象，本次毕业设计我采用RY型离心泵研究。第第2章章 本课题研究对象及所用软件本课题研究对象及所用软件介绍介绍2.1 FLUENT软件介绍软件介绍FLUENT软件是一款在国际上比较受欢迎的软
10、件，它是一种CFD软件包。在国际上的占有率高达百分之六十。他是二十世纪九十年代FLUENT公司推出来的。它是一款模拟软件，可以用来模拟从不能压缩的流体到能够高度压缩的流体。它在不同的情况下，都有适合的方法来建立模型和比较流畅的进行数值计算。它能把各种外形的流体进行模拟。用FLUENT解决流体的数值模拟研究常用的三部分有前处理软件、求解器以及后处理软件。FLUENT软件一般包括三种算法：非耦合隐式算法，耦合显式算法，耦合隐式算法。在商用软件中运用的很频繁。FLUENT软件适合于牛顿流体和非牛顿流体。含有混合对流的热传导，流体的辐射。该软件可以进行离散项的拉格朗日跟踪计算。风扇，散热器，以热交换器
11、为对象的集中参数模型；适用于惯性和非惯性坐标系，复数基准坐标系及滑移网格。2.2 有限元分析方法的介绍有限元分析方法的介绍有限元分析方法指的是将一个整体结构的东西分散化，用一个或者几个很容易研究的单元体来形象的表示整体的结构，用来研究的部分，每个单元体与单元体相互用节点来连接起来，继而我们在计算求解，因为所研究的对象被选取的单元体的数目是一定的，所以我们把它称之为有限元分析方法。我们运用有限元分析以后，就可以大概知道被研究的单元体在运行时的受力，根据这个作为判断根据，来说明他是不是合格。有限元分析方法是根据数值来进行分析评定的，有很多被研究的对象的结构或者形状是非常复杂的，这时候我们可以采用有
12、限元分析方法，它是比较合理精确地。有限元分析方法在设计，生产制造等许多地方都有牵扯和运用，有限元分析方法在许多领域已经从刚开始比较浅薄的分析变成了优化，在工程的运营上已经很成熟，现在流行的就是ANSYS软件。2.3 用用FLUENT建立叶轮模型建立叶轮模型离心泵的叶轮基本上都是由前盖板和后盖板以及许多叶片组成在一起的。想要做离心泵内部流场的数值模拟研究，必须在ANSYS中的FLUENT上先建立叶轮模型。点击电脑左下角开始，点击所有程序，选择ANSYS15.0，选择点击workbench15.0，双击fluid flow(fluent),再次双击A2 Geometry建立叶轮模型，选择XY平面，
13、点击Extrude，点击Apply，画圆，依次建立叶轮模型，建立的初步模型如下图2-3-1所示：图2-3-1图2-3-2由于离心泵模型为三维的几何模型，不方便划分区域，故去掉蜗壳，直接研究离心泵内部的模拟，如图2-3-2所示：但是叶轮不能裸露在外，进一步进行的叶轮模型如下图2-3-32.4 网格的划分网格的划分本次课题是对离心泵进行二维的数值模拟研究，因为要做离心泵整个机构的数值模拟，而且离心泵的几何模型的它的边界条件比较复杂。所以在划分网格的时候就采用分块划分的办法，把叶轮中流体的流动区域和窍壳中流体的流动区域分别划分为两个网格。在用FLUENT模拟研究的过程中，我顺利地对叶轮进行了网格划分
14、，在制作网格的时候，我先进行了区域的划分，如图2-4-12-4-3：图2-4-1图2-4-2图2-4-3在区域划分完成以后，然后进入Mesh进行网格划分，首先我们需要插入一个叶轮内部的流体区域的划分方法，然后在这个区域内添加边界条件，保存，名字设置为叶轮，然后设置第一层边界的厚度为0.0002毫米，一共有五层，然后添加外部流体区域的划分方法，对它添加一个约束，外部流体外边全部以四边形进行划分，内部全部以三角形进行划分，然后设置添加网格的尺寸，这样就可以开始生成，生成的初步的网格图片如下：图2-4-4生成的网格比较粗糙，然后要对其调整，使网格加密。加密之后的网格如下图所示：图2-4-5图2-4-
15、6图2-4-7网格加密好了以后保存所加密的网格，然后点击setup进入fluent界面进行相应的数值模拟研究。第第3章章 离心泵内部流场的数值模拟理论离心泵内部流场的数值模拟理论基础基础这些年，世界上科学领域的各个方面都飞速的发展，很多行业对好点的离心泵的需要也很多。只是以前的离心泵已经不能满足现在各行业的需求，这样就对现在设计的离心泵要求更高了，设计者必须参考现代的设计方法和适用范围，要求对离心泵的各个方面都了解的特别清楚。因为离心泵在很多行业是离不开的，离心泵的参与大大地减低了成本，也就是提高了投资者的效益，现在随着计算机的飞速发展，离心泵的性能也需要上升。3.1 计算流体动力学理论计算流
16、体动力学理论基础基础3.1.1 计算流体动力学基本思想计算流体动力学基本思想CFD的介绍：用很多不同的点的变量集体替换原来时间和空间的物理量，用合适的方法创立能说明问题的关系的方程组，然后用方程组求出来他的变化的大概值。CFD对流体的流动过程受到了我们所设置的方程的约束，到了最后我们就能够看到流场的每个区域的大概受力分布，并且在没有固定考核下，能发现受力随时间的变化而变化，最后，可以用数值模拟研究得出的结果再和软件分析所合并再进一步改良。流动的控制方程基本上都是曲线的，变化的量比较多，被研究的那部分的形状和便捷的条件很繁琐，最后想得到正确的结果比较复杂。所以人们选择了数值模拟，既可以得到答案，
17、又能够得到图像，在变化参数的同时，能够对各种数值进行模拟。这样不会受到形状的牵扯，非常方便，灵活。3.1.2 流体流动的基本特性流体流动的基本特性CFD主要是用来解决流体问题的，如果流体的性质不同，流动的状态也不同那么计算机里面模型和计算方法也不同，他们不同，每个数值的物理分布也不同。理想流体与黏性流体：黏性应力指的是流体在动态中对旁边两层流体相对运动的抵抗力。黏性力指的是流体抵抗变形所产生的力，也就是每个流体都有抵抗流体滑动的力量。流体的粘性大小和当时所处的温度没有关系，温度变化，对他的粘性几乎没有什么影响。理想流体：指的是流体的黏性非常小，可以不考虑它的黏性。在流体的运动相对比较缓慢的情况
18、下，流体的粘性应力可以忽略不计。3.2 流体动力学的基本控制方程流体动力学的基本控制方程3.2.1 设置参数设置参数 本文在研究离心泵的内部流场，该泵是由叶轮和静止的蜗壳组成，流体从叶轮中央的圆形进口沿径向均匀叶轮，该离心泵的叶片数为6，几何参数如图3-2-1-1所示：表3-2-1-1 参数表名称名称数数值叶叶轮进口直径口直径69mm叶叶轮出口直径出口直径69mm叶片叶片进口安放角口安放角20叶片出口安放角叶片出口安放角25叶片厚度叶片厚度3mm离心离心泵外径外径240mm离心离心泵内径内径100 叶轮转速 2rad/s3.2.3 设置边界条件设置边界条件边界条件指的是在确定控制方程以后，需要
19、你给出的定解条件。非定常问题刚开始提出的起始条件一般是用实验得出的，只要在条件允许范围之内对计算结果不会有太大影响就行了，；定常问题的控制方程是曲线或者折线的，所以不用给出初始条件，只需要给出刚开始设定的值进行迭代求解就行了。本次所模拟的离心泵一共分为两个区域，蜗壳到叶片所划过的圆所组成的圆环为一个区域，叶片所划过的圆到离心泵最内部为另外一个区域。把外区域称为fluid-outner，把内区域称为fluid-inner3.2.4 离散方法离散方法 用离散方法对流体的流动进行数值模拟时要对控制方程作出相应的离散。我们经常会用到的离散方法有：有限差分法、有限体积法、有限解析法和有限元法等。有限差分
20、法是几种离散法里面最简单方便的，有限差分法用有限差分操纵控制方程的导数项，用他的差分的误差判断精确程度，但是它只适用于比较均匀的网格。有限体积法具有非常坚实的数学基础，它的物理背景也很明确。有限解析法在区域内来离散控制方程，运用控制体边界信息比较多，所以计算量非常大，花费的时间很大。第第4章章 离心泵内部流场的离心泵内部流场的数值模拟数值模拟4.1 设置计算模型设置计算模型FLUENT软件打开时，在启动界面有四种求解器，分别为二维单精度求解，二维双精度求解，三维单精度求解和三维双精度求解。一般在求解时选择单精度求解，因为方便，占用内存小，计算快。本文采用二维单精度求解。计算模型设置如下：（1）
21、求解器选择，FLUENT软件拥有压力求解器和密度求解器两种，压力求解器的用途主要用在不可压流体上，密度求解器主要用在可压流体上。本次我主要用压力求解器。（2）运行参考压力使用标准大气压，不考虑重力与热交换。（3）物性选择。本次研究的离心泵是RY型离心泵，用的介质是清水。4.2 设置求解控制参数设置求解控制参数（1）收敛判断依据为0.001，其他的参数都采取默认值。（2）定义求解残差监视器，Option选项选择Plot，其他的都是默认值。4.3 迭代结果与分析迭代结果与分析在经过多次数值模拟以后，得出了不同时刻速度，压力，湍动能的分布云图。图4-3-1 t=5s时的速度分布云图图4-3-2 t=
22、15s时的速度分布云图图4-3-3 t=25s时的速度分布云图图4-3-4 在不同时刻的速度分布折线图图4-3-5 在t=5s时的压力分布云图图4-3-6 在t=10s时的压力分布云图图4-3-7 在t=15s时的压力分布云图图4-3-8 在t=20s时的压力分布云图图4-3-9 在t=25s时的压力分布云图图4-3-10 在t=30s时的压力分布云图图4-3-11 在t=5s时的湍动能分布云图图4-3-12 在t=10s时的湍动能分布云图图4-3-13 在t=15s时的湍动能分布云图图4-3-14 在t=20s时的湍动能分布云图以上为离心泵在运转时不同时刻，对离心泵内部的压力，速度，湍动能的
23、模拟图片。在时间改变的基础上，我们再对离心泵叶轮的转速进行改变，得到了随着叶轮转速的改变，离心泵内流体的速度，压力，湍动能而改变的云图。如下：图4-3-15 当转速为0.2rad/s时，速度的分布云图图4-3-16 当转速为0.3rad/s时，速度的分布云图图4-3-17 当转速为0.4rad/s时，速度的分布云图图4-3-18 当转速为4rad/s时，湍动能的分布云图图4-3-19 当转速为6rad/s时，湍动能的分布云图图4-3-20 当转速为6rad/s时，压力的分布云图第第5章章 结论结论本次课题，我对RY型离心泵进行了内部流场的数值模拟研究，被模拟的离心泵包括叶轮和蜗壳两部分组成，在
24、本次模拟学习中，我首先熟知了FLUENT软件，大量的查阅了有关FLUENT软件和离心泵的资料，我选择了较为合适的模拟方法，用二维单精度进行模拟。当然模拟就有误差。通过这次毕业设计对离心泵内部流场的数值模拟研究，我得出了离心泵内部流动的液体的压力场和速度场的规律。大体的模拟出来了离心泵出口截面的应力分布图，为以后的离心泵的设计和优化提供了一些参考数据和图像。离心泵技术现在相对比较成熟，我在本次毕业设计中做的过程的难度较大，首先认真的学习了FLUENT软件，在用FLUENT模拟的过程中遇到了诸多问题，最后经过自己的努力终于解决了。在本次毕业设计中，我对离心泵内水流的速度做了模拟，在离心泵的整个整体
25、中，把离心泵分成了两个区域，蜗壳内到叶片转动所划得圆为一个区域，叶片所划过的圆为另外一个区域，离心泵内液体的流速从外到内是先变小，后变大，以叶片所划过的圆为分界线。本次我对离心泵内的速度，压力，湍动能进行了模拟研究。以压力为例，离心泵里面的压力表现不是对称的，在叶轮的入口是负压的，对液体的吸入有好处。因为叶轮在不停地旋转，离心泵内部压力随流动方向不停地增大。以速度为例，离心泵内部顺叶轮半径方向变大，叶轮的周围好似最大值，再往外面一直变小。以湍动能为例，离心泵里面的流体因为叶轮的加速旋转，湍动能变大，在叶轮出口，湍动能数值较高，湍动比较剧烈，因为蜗壳内空间较大，湍动能慢慢变小，逐渐降低。通过这次对离心泵的模拟，得到了离心泵内部压力，速度，湍动能的变化云谢谢大家！