過程流體機械課程設計

1、<p>　　課 程 設 計 論 文</p><p>　　論文題目: 過 程 流 體 機 械 課 程 設 計 </p><p>　　學科專業(yè)： 過 程 裝 備 與 控 制 工 程 </p><p>　　作者姓名：

2、 </p><p>　　指導教師： </p><p>　　遞交日期： 2012年7月2日 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　為了了解葉輪內部流動特性

3、，自行設計了葉輪，采用5片普通圓柱形葉片進行內部流動特性數(shù)值模擬，得到兩種工況下的葉輪內部流場分布，分析了不同流量下的流量—揚程和流量——效率關系。計算結果表明，揚程隨著流量增大而減小，效率隨著流量增大而減小，到達最佳工況點之后，效率開始下降。</p><p>　　關鍵詞：離心泵；水力設計；流量；內部流場；數(shù)值模擬</p><p><b>　　目 錄</b><

4、/p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　第一章 葉輪水力設計1</p><p>　　1.1已知設計參數(shù)1</p><p>　　1.2泵的設計參數(shù)和結構形式計算和確定1</p><p>　　1.2.1泵形式及級數(shù)的確定1</p><p>　　1.2

5、.2 泵效率計算1</p><p>　　1.2.3泵的軸功率2</p><p>　　1.3葉輪主要幾何參數(shù)的計算和確定2</p><p>　　1.3.1泵軸傳遞的扭矩2</p><p>　　1.3.2泵的最小軸徑2</p><p>　　1.3.3葉輪輪轂直徑dh2</p><p>　

6、　1.3.4葉輪進口直徑Dj的初步計算2</p><p>　　1.3.5葉片進口直徑D1的初步計算3</p><p>　　1.3.6葉片出口直徑D2的初步計算3</p><p>　　1.3.7葉片進口寬度b1 的初步計算3</p><p>　　1.3.8 葉片出口寬度b2的初步計算4</p><p>　　1.

7、3.9 葉片包角φ4</p><p>　　1.3.10 葉片出口圓周厚度4</p><p>　　1.3.11葉輪葉片進口安放角4</p><p>　　1.3.12 葉片進口速度5</p><p>　　1.4葉輪主要幾何參數(shù)5</p><p>　　第二章 歐拉方程性能計算6</p><p&

8、gt;　　2.1離心泵的理論揚程6</p><p>　　2.2 考慮有限葉片數(shù)的影響6</p><p>　　第三章 計算流體力學方法及分析8</p><p>　　3.1計算模型的建立8</p><p>　　3.2網(wǎng)格劃分10</p><p>　　3.3 流場計算邊界條件11</p><p

9、>　　3.4數(shù)值模擬基本參數(shù)12</p><p>　　3.5數(shù)值模擬結果分析13</p><p>　　3.5.1 葉輪內部流場的壓力分布13</p><p>　　3.5.2 速度分布14</p><p>　　3.5.3水泵揚程和水力效率的預測與收斂圖14</p><p><b>　　3.6總結

10、17</b></p><p><b>　　參考文獻18</b></p><p>　　第一章 葉輪水力設計</p><p><b>　　1.1已知設計參數(shù)</b></p><p>　　流量Q=20m3/h </p><p>　　轉速n=1450r/

11、min</p><p>　　比轉速 80—100</p><p>　　1.2泵的設計參數(shù)和結構形式計算和確定</p><p>　　1.2.1泵形式及級數(shù)的確定</p><p><b>　　泵的比轉速【1】</b></p><p><b>　　(1-1)</b></p&g

12、t;<p><b>　　取為7mm ，故</b></p><p><b>　　（1-2）</b></p><p>　　故泵的水力方案為：單級單吸式離心泵。</p><p><b>　　泵的進口直徑</b></p><p>　　取泵的流速=2.7；</p&g

13、t;<p>　　= =55mm （1-3）</p><p><b>　　取為55mm</b></p><p><b>　　泵的出口直徑</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　

14、由于該泵為中型揚程泵，故</p><p>　　=55mm </p><p>　　重新計算泵的進出口速度</p><p>　　=2.338m/s，取為2.4m/s</p><p>　　1.2.2 泵效率計算</p><p>　?。?）

15、水力效率【1】</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　（2）機械效率【1】 </p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　?。?）容積效率【1】</p><p><b>　?。?-7）

16、</b></p><p>　?。?）總效率【1】 </p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　1.2.3泵的軸功率 </p><p><b>　　（1-9）</b></p><p>　　1.3葉輪主

17、要幾何參數(shù)的計算和確定</p><p>　　1.3.1泵軸傳遞的扭矩 </p><p><b>　?。?-10） </b></p><p>　　1.3.2泵的最小軸徑</p><p>　　對于45號鋼，經(jīng)調質處理之后HB=241–286，</p><p><b>　　取 ，則最小軸頸&

18、lt;/b></p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　1.3.3葉輪輪轂直徑dh</p><p>　　取系數(shù)k=1.3,則 </p><p><b>　?。?-9）</b></p><p><

19、;b>　　取為8mm </b></p><p>　　1.3.4葉輪進口直徑Dj的初步計算</p><p>　　D0可由系數(shù)速度系數(shù)法求得【2】</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　K0——系數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計資料選取</p><p>　　主要考慮效率

20、 K0 =3.5—4.0</p><p>　　兼顧效率和氣蝕 K0 =4.0—4.5</p><p>　　主要考慮氣蝕 K0 =4.5—5.5</p><p>　　此處取 K0 =3.8</p><p><b>　　對于穿軸葉輪：</b></p><p><b>　　（1-1

21、1）</b></p><p><b>　　取為60mm</b></p><p>　　1.3.5葉片進口直徑D1的初步計算</p><p>　　由于泵的比轉速為91.66，故k1應取較大值0.93</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>&

22、lt;b>　　取為56mm</b></p><p>　　系數(shù)k1的數(shù)值范圍為k1 =0.7–1.0</p><p>　　1.3.6葉片出口直徑D2的初步計算</p><p>　　目前離心泵設計中普遍采用的速度系數(shù)法提出的葉輪外徑的計算公式[1] </p><p><b>　　(1-13）</b&

23、gt;</p><p><b>　　取為154mm</b></p><p>　　1.3.7葉片進口寬度b1 的初步計算</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p><b>　　（1-15） </b></p><p>　　所以

24、 </p><p><b>　　（1-16）</b></p><p>　　其中，,不妨取Kv=0.9，</p><p><b>　?。?-17）</b></p><p><b>　　取為18mm</b></p><p>　　1.3.8 葉片出

25、口寬度b 2的初步計算</p><p><b>　　由經(jīng)驗公式</b></p><p><b>　?。?-18）</b></p><p><b>　　取為10mm</b></p><p>　　1.3.9 葉片包角φ </p><p>　　如葉片數(shù)z大，

26、φ應小一些，如葉片數(shù)z小，φ應取大一些。一般φ可取</p><p>　　85°—110°，少數(shù)可達150°，故φ取120°。Φ與葉片間距</p><p><b>　　（1-20）</b></p><p>　　的比值φ/t0反映了葉柵稠密度，叫做相對稠密度。</p><p>　　1.

27、3.10 葉片出口圓周厚度</p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　δ2 —— 葉片出口真是厚度，通常取δ2 =2-4mm</p><p>　　λ2 —— 葉輪出口軸面截線與流線的夾角，通常取 λ2 =70°-90 °</p><p>　　1.3.11葉輪葉片進口安放角

28、</p><p>　　對于低比轉速離心泵，C. 普費萊德納爾提出了如下的計算公式[2]</p><p><b>　?。?-22）</b></p><p>　　由此公式推導出葉片進口角β1</p><p><b>　　（1-23）</b></p><p>　　1.3.12 葉片

29、進口速度 </p><p><b>　?。?-24）</b></p><p>　　計算變工況條件下的泵進口流速:</p><p>　　當Q=10m3/h時，=1.2m/s;</p><p>　　當Q=20m3/h時，=2.4m/s;</p><p>　　當Q=24m3/h時，=2.8

30、8m/s;</p><p>　　1.4葉輪主要幾何參數(shù)</p><p>　　綜上所述，葉輪主要幾何參數(shù)如下表所示：</p><p>　　表1.1 葉輪主要參數(shù)</p><p>　　第二章 歐拉方程性能計算</p><p>　　2.1離心泵的理論揚程</p><p>　　假定葉片為無窮多，由方程式

31、[1]</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　F2——葉輪出口有效過流面積，</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　ψ2=0.8–0.9；</p

32、><p>　　R2——葉輪外圓半徑；</p><p>　　u2——圓周速度， </p><p><b>　　（2-3）</b></p><p>　　D2——出口處研究處點的直徑；</p><p>　　β2A——葉片出口安放角30；</p><p><b>　　計算結

33、果：</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　2.2 考慮有限葉片數(shù)的影響</p><p>　　經(jīng)過分析與推證，對低比轉速葉輪，普氏將滑移系數(shù)的計算公式具體總結【4】</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p&g

34、t;　　a——與泵體結構有關的經(jīng)驗系數(shù)；</p><p>　　對導葉壓液室a=0.6;</p><p>　　對渦殼壓液室a=0.65—0.85;</p><p>　　對環(huán)形壓液室a=0.85—1.O；</p><p>　　F——封閉周線所圍面積，</p><p><b>　　（2-6）</b>&l

35、t;/p><p><b>　　T——葉片節(jié)距，</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　計算結果:</b></p><p><b>　　（2-8）</b></p><p>　　第三章 計算流體

36、力學方法</p><p>　　3.1計算模型的建立</p><p>　　葉輪流道的實體造型是進行流場數(shù)值模擬的基礎，模型的精確與否直接影響了計算結果的可信度。本文利用自行設計的葉輪，結合UG軟件進行葉片、葉輪的精確三維實體造型，為后續(xù)的數(shù)值模擬奠定了良好的基礎。</p><p>　　3.1.1葉輪模型的建立</p><p>　　根據(jù)葉輪的結構

37、參數(shù)，利用UG軟件進行葉片、葉輪流道的精確三維實體造型[5]，生成葉輪的三維實體模型，圖3-1是子午視圖，圖3-2是葉輪三維造型，圖3-3是葉輪流到實體模型</p><p><b>　　圖3.1 子午視圖</b></p><p><b>　　圖3.2</b></p><p><b>　　圖3.3 <

38、/b></p><p><b>　　3.2網(wǎng)格劃分</b></p><p>　　網(wǎng)格是CFD模型的幾何表達式，也是模擬和分析的載體。網(wǎng)格質量對CFD計算精度和計算效率有重要的影響。對于復雜的模型，網(wǎng)格生成是一個漫長而枯燥的過程，經(jīng)常需要進行大量的試驗才能取得成功。GAMBIT是作為FLUENT求解器的專用前處理軟件包，用來為數(shù)值模擬生成網(wǎng)格模型。GAMBIT提供

39、了混合網(wǎng)格、結構網(wǎng)格和非結構網(wǎng)格等多種類型的網(wǎng)格。</p><p>　　本文設計的葉輪比較簡單，進行網(wǎng)格劃分時只需要把進口壁和葉片部分劃的網(wǎng)格間距不一樣即可。利用UG軟件生成幾何模型保存成STP格式文件后，導入GAMBIT中進行混合網(wǎng)格劃分，其步驟如下：</p><p>　　首先把整個模型根據(jù)不同的層次分成兩個體，得到分別為Z1進口部分和Z2葉片部分兩個體。</p><

40、p><b>　　圖3.4</b></p><p><b>　　圖3.5</b></p><p>　　3.3 流場計算邊界條件</p><p>　　下面對圓柱形葉片流道葉片的葉輪進行數(shù)值計算。其中，葉片數(shù)Z=6，設計工況點為轉速n=1450r/min,流量Q=10m3/h。</p><p>　　

41、對葉輪內部流動而言，主要存在進口邊界、出口邊界和固壁邊界。</p><p><b>　?。?）進口邊界</b></p><p>　　對于不可壓流動，進口邊界取為速度入口邊界條件(velocity-inlet)。在計算出軸向速度時，假設進口邊界上無切向速度與徑向速度，并且軸向速度是均勻分布的，因此根據(jù)流量即可計算出進口速度。</p><p>&l

42、t;b>　?。?）出口邊界</b></p><p>　　在計算區(qū)域的出口邊界上，流動情況完全由區(qū)域內部外推得到，可以認為流動己充分發(fā)展，即對上游的流動參數(shù)沒有影響，故取自由出流邊界條件(outflow)。</p><p><b>　　（3）固壁邊界</b></p><p>　　對于固壁邊界條件，因不存在壁面有抽吸或噴射等情況，

43、所以固壁表面取為無滑移邊界條件。對壁面的k、ε，可根據(jù)標準壁面函數(shù)法進行取值</p><p>　　在旋轉坐標系中，計算采用segregated方法，湍流模型k-ε,模型中的系數(shù)均采用默認值。</p><p>　　3.4數(shù)值模擬基本參數(shù)</p><p>　　進行數(shù)值模擬的基本參數(shù)如表3-1所示：</p><p>　　表3-1 數(shù)值模擬的基本參數(shù)

44、</p><p>　　3.5數(shù)值模擬結果分析</p><p>　　3.5.1 葉輪內部流場的壓力分布</p><p>　　圖3.7、3.8和3.9示出葉輪中間截面流場的壓力分布圖。從圖3.7、圖3.8和圖3.9可以看出，從進口到出口，示一個靜壓不斷增大的過程。液體水進入泵體后，通過擴散逐步把動能轉化為壓能。由于粘性流體和慣性力的作用，隨著半徑增大，壓力逐漸增大。由于

45、轉速較高，在進口范圍內形成低壓區(qū)，在葉輪出口存在壓力較大的區(qū)域。</p><p>　　圖3.7 Q=10m3/h 中截面靜壓圖</p><p>　　圖3.8 Q=20m3/h 中截面靜壓圖</p><p>　　圖3.9 Q=24m3/h 中截面靜壓圖</p><p>　　3.5.2 速度分布</p><p>　　圖3.

46、9,3.10所示水泵中間截面的速度分布圖。由圖3.10、圖3.11和圖3.12可以看出，隨著葉輪圓周直徑的增大，圓周速度增大，則速度隨之增大。</p><p>　　圖3.10 Q=10m3/h 中截面速度分布圖 </p><p>　　圖3.11Q=20m3/h 中截面速度分布圖</p><p>　　圖3.11Q=2m3/h 中截面速度分布圖</p>

47、<p>　　3.5.3水泵揚程和水力效率的預測與收斂圖</p><p>　　3.5.3.1 水泵揚程預測</p><p>　　水泵葉輪帶著液體旋轉時把力矩傳給液體，使液體的運動狀態(tài)發(fā)生變化，從而完成了能量的轉換。葉輪就是通過葉片把力矩傳給液體，使液體的能量增加。在模擬計算三維流場的基礎上，通過計算水泵進口面的環(huán)量差和轉子的軸功，可求得水泵的實際揚程和水泵的效率。 在水泵中，規(guī)定

48、葉輪的揚程出口總水頭與進口總水頭之差，葉輪的揚程，如式所示</p><p><b>　　(4-1)</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　, ——泵出口、進口處液體的靜壓力，Pa；</p><p>　　，——泵出口、進口處液體的速度，m/s；</p>

49、<p>　　，——泵出口、進口到任選的測量基準面的距離，mm；</p><p>　　3.5.3.2 水泵的效率預測</p><p>　　葉輪的水力效率，如下式所示 [8]</p><p><b>　　(4-2)</b></p><p><b>　　式中：</b></p>&l

50、t;p><b>　　ηh——水力效率；</b></p><p><b>　　Q——水泵的流量</b></p><p>　　M——葉片正、背面表面受到的繞Z軸的力矩之和，N·m</p><p><b>　　計算結果見表3.2</b></p><p>　　表3.2各

51、工況點計算結果</p><p>　　通過無限葉片和有限葉片公式（第二章）分別計算得出兩個工況點下的理論流量，如表3.3所示。揚程—流量、效率—流量曲線圖如圖3.11所示。</p><p><b>　　表3.3揚程計算</b></p><p>　　圖3.11 揚程、效率—流量曲線圖</p><p><b>　　3

52、.6總結 </b></p><p>　　1）通過對多個工況點數(shù)值模擬，就可以得到泵的外特性和內特性，如果計算更過工況點，就可以繪制出水泵揚程曲線圖，如果計算多個工況點，就可以繪制出水泵的揚程—流量曲線和流量—效率曲線圖，從而預測出水泵在全工況范圍內的性能。</p><p>　　2）從流量—揚程和流量—效率圖可以看出，水泵的揚程隨著流量的增大的而減小，效率隨著流量的增大先增大

53、，到達最佳工況點之后效率開始下降。曲線上最高效率點即為泵的設計工況點，在該點所對應的的揚程和流量下操作最為經(jīng)濟。實際生產中，泵不可能正好在設計工況點下運轉，所以各種離心泵都規(guī)定給一個高效區(qū)，一般取最高效率以下7%范圍內為高效區(qū)。</p><p>　　3）從fluent得出的揚程較無限葉片計算得出的揚程相差較大，而較有限葉片公式計算得出的揚程結果很接近。造成這種揚程損失的原因有很多，其中管路中水頭損失和泵中的水頭損

54、失占了很大一部分。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]關醒凡. 泵的理論與設計[M] . 北京： 機械工業(yè)出版社，1987</p><p>　　[2]朱祖超. 低比轉速高速離心泵的理論及設計應用[D].北京： 機械工業(yè)出版社，2007.7</p><p>　　[3]查森編．葉片泵原理