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离心泵的数值模拟及性能分析

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II
杭州电子科技大学硕士学位论文
目
录
摘 要 .................................................................... I ABSTRACT ................................................................. II 目 录 ................................................................ III
硕 士 学 位 论 文
题
目 离心泵的数值模拟及性能分析
研 究 生 专 业
刘
涵
机械电子工程 潘华辰 教 授
指导教师 完成日期
2013 年 3 月
杭州电子科技大学硕士学位论文
离心泵的数值模拟及性能分析
研 究 生： 刘
涵 教 授
指导教师： 潘华辰
2013 年 3 月
Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi University for the Degree of Master
第 1 章 绪论 ............................................................... 1 1.1 前言 ................................................................. 1 1.2 离心泵的概述 ........................................................ 1 1.2.1 离心泵的分类 ..................................................... 1 1.2.2 水泵的结构 ....................................................... 2 1.2.3 离心泵的应用 ..................................................... 2 1.2.4 离心泵的基本参数 ................................................. 3 1.3 离心泵的 CFD 数值模拟研究现状 ........................................ 4 1.3.1 对离心泵内部流场的数值模拟 ....................................... 4 1.3.2 离心泵叶轮和蜗壳耦合 ............................................. 5 1.4 离心泵优化方法 ....................................................... 6 1.4.1 试验优化设计 ..................................................... 6 1.4.2 速度系数法优化设计 ............................................... 6 1.4.3 损失极值法优化设计 ............................................... 6 1.4.4 准则筛选法优化设计 ............................................... 7 1.4.5 CFD 流场数值模拟及 CAD 优化设计方法 ............................... 7 1.4 本文主要研究内容 ..................................................... 7 第 2 章 离心泵全流道网格建立 ............................................... 8 2.1 网格的概述 ........................................................... 8 2.1.1 网格的基本概念 ................................................... 8 2.1.2 网格的类型 ...................................................... 8 2.1.3 网格分块生成技术 ................................................. 9 2.2 GRIDGEN 商业软件和 PLOT3D 的简介 ..................................... 10 2.2.1 Gridgen 简介 .................................................... 10 2.2.2 PLOT3D 简介 ..................................................... 10
Numerical Simulation and Performance Analysis on Centrifugal Pumps
Candidate: Liu Han Supervisor: Prof. Pan Huachen
March，2013
杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明
原创性声明
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。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其它个人或集体已经发表或撰写 过的作品或成果。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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。
论文作者签名： 指导教师签名：日Biblioteka ： 日期：年 年月 月
日 日
杭州电子科技大学硕士学位论文
摘 要
离心泵作为一种通用的流体机械，在工业生产和日常生活中被广泛的应用。离心泵效率 的提高会减少社会对能源需求的压力。本文通过利用 CFD 对离心泵进行数值模拟，预测离 心泵性能、考察离其内部流场，并提出了一种离心泵叶轮的切削方法，在满足使用需要的同 时，降低离心泵的扬程，扩大离心泵的使用范围，提高离心泵的效率，从而达到节约能源的 目的。具体工作从以下几方面展开： 论述了课题的意义及研究背景，介绍了离心泵的种类结构以及离心泵的应用，列举了目 前常用离心泵研究方法及优化方法，同时概括了本文主要的研究内容。 介绍了网格的一些基本概念，网格生成软件 Gridgen 和 PLOT3D 格式文件。重点阐述了 离心泵全流道六面体结构网格的生成方法。针对离心泵的不同部件，综合运用 Gridgen 与 Fortran 相结合的办法，完成了离心泵包括叶轮、蜗壳以及前后盖板以外的密封部分六的面 体结构网格划分。 介绍了 CFD 过程，包括前处理，求解和后处理。叙述了目前常用的湍流计算模型。本 文提出选取 SST 湍流模型，结合 k 模型和 k 模型的优点来对离心泵进行数值模拟，并 比对了模拟结果。接着介绍了 FLUENT 和 Ansys CFX 在离心泵模拟中的应用。最后对不同的 水模进行了横向对比。 对现有典型离心泵进行内流分析，考察了离心泵的速度场和压力场的分布情况。然后对 不同条件下对离心泵进行数值模拟并分析结果，包括考虑到泄漏回流条件和不同入口条件下 对离心泵数值模拟结果的影响。 阐述了现阶段叶轮切割的一般方法，提出了一种只切削叶片，不切削前后盖板的切削方 法，可以降低离心泵扬程。在满足用户需要的同时，提高离心泵的效率。利用 CFD 方法分 析不同切削量下，离心泵的性能和内流场的分布情况，对改善离心泵性能具有很大的现实意 义。 最后对本文所做的工作进行了总结，指出本文的创新点和不足之处，同时对这些不足之 处的解决方法进行了思考。 关键词：离心泵，CFD，SST 湍流模型，叶轮切割
I
杭州电子科技大学硕士学位论文
Abstract
As a kind of general fluid machinery, centrifugal pump is widely used in daily life and industrial production. It can reduce the pressure of energy demand when the efficiency of centrifugal pumps increase. In this thesis, several centrifugal pumps were studied to predict the performances and distributions of the internal flow field by using CFD method. In order to meet the practical needs, for example, to reduce the head of centrifugal pumps, a kind of centrifugal pump impeller cutting method was used in industrial practice. It can achieve the purpose of matching the specific application needs without changing a new pump. Several cut impellers were studied in this paper. The whole thesis consists of 6 chapters as follows: The background and significance of the research is presented. The different kinds of centrifugal pumps and the application of them are introduced. The common methods of study and optimization are also discussed in this part. Then the main research contents are summarized. The basic conception of grid is illustrated, including the software of grid generation named Gridgen and a file format named PLOT3D. The most important thing is the method of structure grid generation in a centrifugal pump. According to the different parts of the centrifugal pump, all the structure grids are accomplished including impeller part, volute part and the leakage part of the centrifugal pump by using a method of combining Gridgen with Fortran. The process of CFD is introduced firstly. That is pre-processing, solver and post-processing. Then some commonly used turbulence models are introduced. SST and k turbulence model simulation results are compared, including the different commercial softwares of FLUENT and Ansys CFX. The last, the performances of different centrifugal pumps are studied. The typical centrifugal pump is studied, including the distribution situations of velocity fields and pressure fields. And then, the numerical simulation results are analyzed in different conditions which include considering the leakage and different inlets. A common method of cutting centrifugal pump impeller is introduced firstly. And then a kind of centrifugal pump impeller cutting method was put forward. That is the blades are cut only and ignored the impeller cover plates to reduce the head and increase the efficiency of centrifugal pumps based CFD numerical simulation. This method has a great practical significance to improve the performance of centrifugal pumps. The thesis is summarized and the conclusion remarks are presented. Keywords: Centrifugal pump, CFD, SST turbulence model, Impeller

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离心泵性能实验实验报告

离心泵性能实验实验报告

离心泵性能实验实验报告一、实验目的1、了解离心泵的结构、工作原理和性能特点。

2、掌握离心泵性能参数的测量方法，包括流量、扬程、功率和效率。

3、绘制离心泵的性能曲线，分析其性能变化规律。

4、探究离心泵的运行工况对其性能的影响。

二、实验原理1、离心泵的工作原理离心泵依靠叶轮旋转时产生的离心力将液体甩出，在叶轮中心形成低压区，从而使液体不断被吸入和排出。

2、性能参数的定义及计算流量（Q）：单位时间内泵排出的液体体积，通过流量计测量。

扬程（H）：泵给予单位重量液体的能量，H ＝（P2 P1) ／（ρg) ＋（Z2 Z1) ＋ hf ，其中 P1、P2 为进出口压力，Z1、Z2 为进出口高度，hf 为管路阻力损失。

功率（P）：包括轴功率和有效功率。

轴功率由功率表测量电机输入功率，有效功率 Pe ＝ρgQH 。

效率（η）：η ＝ Pe ／ P 。

三、实验装置1、离心泵：实验所用离心泵型号为_____，额定流量为_____，额定扬程为_____。

2、水箱：用于储存实验液体。

3、流量计：选用_____流量计，测量范围为_____，精度为_____。

4、压力表：分别安装在泵的进出口处，测量压力。

5、功率表：测量电机的输入功率。

6、管路系统：包括吸入管路和排出管路，管路上安装有调节阀用于调节流量。

四、实验步骤1、检查实验装置，确保各仪器仪表正常工作，管路连接紧密无泄漏。

2、向水箱中注入适量的实验液体（通常为清水）。

3、启动离心泵，待运行稳定后，记录初始的流量、扬程、功率等参数。

4、逐渐调节调节阀，改变流量，每次调节后待运行稳定，记录相应的流量、进出口压力和功率等数据。

5、重复步骤 4，测量多组数据，流量调节范围应涵盖离心泵的正常工作范围。

6、实验结束后，关闭离心泵，清理实验装置。

五、实验数据记录与处理｜流量 Q（m³/h）｜扬程 H（m）｜轴功率 P（kW）｜效率η（％）｜｜｜｜｜｜｜＿____|＿____|＿____|＿____|｜＿____|＿____|＿____|＿____|｜＿____|＿____|＿____|＿____|｜＿____|＿____|＿____|＿____|｜＿____|＿____|＿____|＿____|根据实验数据，计算出不同流量下的有效功率和效率，并绘制离心泵的性能曲线，包括扬程流量曲线（HQ 曲线）、功率流量曲线（PQ 曲线）和效率流量曲线（ηQ 曲线）。

离心泵参数化设计和分析的开题报告

离心泵参数化设计和分析的开题报告

离心泵参数化设计和分析的开题报告一、选题背景离心泵是一种广泛应用于水处理、石油化工、发电、空调等行业的流体输送设备。

离心泵的设计和参数化分析对设备的性能和运行效率有着重要的影响。

因此，该选题旨在通过对离心泵参数化设计和分析的研究，进一步提高离心泵的性能表现，降低设备的运营成本，提高设备的可靠性和安全性。

二、研究内容1. 离心泵参数化建模：通过对离心泵结构和特性的研究，建立离心泵的参数化模型，并选择适当的设计变量，以建立模型的完整性和可靠性。

2. 离心泵参数优化：运用参数化模型对离心泵的流道、叶轮、轴承等关键部件进行优化设计，以提高设备的性能表现和效率。

3. 离心泵性能分析：通过对离心泵的性能和运行状态进行数值模拟和仿真分析，对离心泵的流量、扬程、效率等关键性能参数进行评估和分析。

4. 离心泵可靠性分析：通过对离心泵的负载特性、转速、润滑与密封等方面进行分析，评估并提高离心泵的可靠性和安全性。

三、研究目的1. 提高离心泵的性能表现和效率，降低设备运营成本；2. 提高离心泵的可靠性和安全性；3. 探讨离心泵参数化设计的方法和实现过程。

四、研究意义离心泵参数化设计和分析的研究不仅可以提高离心泵设备的性能和效率，降低运营成本，更重要的是可以提供科学的方法和手段，对离心泵设计和制造行业的发展具有积极的推动作用。

五、研究方法1. 离心泵结构和特性的分析和研究；2. 建立离心泵的参数化模型；3. 对模型进行参数优化设计；4. 进行数值模拟和仿真分析；5. 对离心泵的可靠性进行分析和评估。

六、预期成果1. 建立参数化模型，完成对离心泵的初步优化设计；2. 完成数值模拟和仿真分析，对离心泵的性能表现进行评估和分析，提出进一步优化方案；3. 提出离心泵可靠性分析方法，对离心泵的可靠性和安全性进行评估和分析；4. 形成研究论文，并在相关学术会议和期刊上发表。

七、研究进度安排第1-2周：查阅离心泵相关文献，了解离心泵的结构和特性；第3-4周：建立离心泵的参数化模型；第5-6周：进行离心泵的初步优化设计；第7-8周：完成数值模拟和仿真分析；第9-10周：对离心泵的可靠性进行分析和评估；第11-12周：撰写研究论文并进行修改；第13周：答辩准备。

基于CFD的离心泵内部流场数值模拟与性能预测

基于CFD的离心泵内部流场数值模拟与性能预测

ｐｕｍｐ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ；ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｆｏｒｅｃａｓｔ
随着计算流体动力学（ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）技术的迅速发展，数值模拟技术已 成为研究流体机械内部流体运动规律、预测流体机 械性能的一种重要手段¨一］。离心泵复杂的流道形 状、高速旋转、流体粘性以及动静部件间的相互作 用等决定了其内部流体流动实际上是一个三维的、 粘性的、非定常的极其复杂的流动方式，有的甚至 还是固液或气液等多相流动【３］，正因为如此，采用 传统的速度系数法和相似换算法设计和开发的离
图２叶轮中心回转面绝对速度分布
ｐ盱 Ｆｉｇ．２ Ｃｅｎｔｅｒ ｒｏｔａｔｉｖｅ ｓｕｒｆａｃｅ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｖｅＩｏｃｉｔｙ
ｆｉｌ髑ｏｆ邮ｍｐ ｉｍｐｅｌｌｅｒ
４．３内部流场总压力分布
如图４所示为离心泵叶轮回转中心面总压力
Ｆｉｇ．４
图４ 叶轮中心回转面总压力分布 Ｃｅｎｔｅｒ ｒｏｔａｔｉｖｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｏｔａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｏｆ ｐｕｍｐ ｉｍｐｅｌｌｅｒ
ＸＩＥ Ｊｉｅ－ｆｅｉ，ＬＩ Ｘｉａｎｇ—ｇｕｉ，ＹＡＮＧ Ｈｕｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０００４，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）
４．２内部流场速度分布
离心泵叶轮中心回转面绝对速度与相对速度 分布分别如图２与图３所示，叶轮内部和涡壳附近 流场分布比较理想，没有出现大的流动分离和冲击 现象，速度由叶片进口至叶片出口不断升高，由叶 轮至涡壳速度逐渐降低，同时顺着涡壳导流方向流 体速度不断升高，至泵出口区域流速才慢慢降低， 这与蜗壳的设计方法相符合，靠近蜗壳外壁处已经 出现了回流，这与实际情况相符，表明离心泵在设 计工况下的运行状态良好。
离心泵中的数值模拟-PPT精品文档

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如何避免离心泵气蚀？ （1）安装时，泵的吸入口离液面的距离要尽可能的低，减少吸入压力损失； （2）增大泵吸入管的直径，减少吸入管路的阻力损失； （3）在满足扬程和流量要求的前提下，转数越低越好，减少泵吸入口的真 空度； （4）采用双吸式泵或加前置诱导轮的离心泵，以改善吸入条件； （5）在工艺条件允许的条件下，避免输送液体的温度升高，防止液体汽化。
离心泵叶轮如何进行三维造型呢？ 采用三维设计软件，如Proe、ug等进行建模，从木模图上读取各个截面参数， 然后分别输入到三维设计软件中，有了叶片工作面和背面的曲线以后， 采用如proe中的边界混合命令，就可以生成叶轮形状，然后切掉多余的部 分并对进口修圆，就可以得到叶轮的主要部分——叶片，前后盖板的造 型比较简单，直接旋转即可。
离心泵基本参数？ 离心泵的参数定义如下： 额定流量：泵在最佳工作效率下单位时间内泵抽送液体的数量，即泵铭牌上 所标注的数量，以Q表示。 额定扬程：在最佳效率时，单位质量液体通过泵时所增加的能量，以H表示 ，单位为米。 效 率：液体通过泵所得到的能量与驱动机传给泵的能量的比值，以Ef或η表 示。 功 率：驱动机给泵的能量，统称为轴功率。流体通过泵实际获得的功率。 净正吸入压头：为保证泵不发生汽蚀，在泵内叶轮入口处，单位质量液体所 必需具有的超过汽化压力后所富余的能量。以NPSH表示，单位为m，其 中又分为NPSHr（必需的净正吸入压头，与泵有关）及NPSHa（与吸入 管路有关，与泵无关。 什么是离心泵的气蚀？ 液体在叶轮入口处流速增加，压力低于工作水温的对应的饱和压力时，会引 起一部分液体蒸发（即汽化）。蒸发后的汽泡进入压力较高的区域时， 受压突然凝结，于是四周的液体就向此处补充，造df 固液两相流离心泵的各种水力设计方法，分析了各种因素对固液两相流离心泵性能 的影响，如介质特性、压水室和叶轮的匹配、叶轮结构参数和过流部件材质等。 针对山西某火电厂水力除灰系统所用泥浆泵，进行优化设计。使用AutoCAD软件 采用方格网绘型法进行叶轮的绘型，并用Fluent软件进行流场的三维数值模拟验 证。利用模拟 固液两相流离心泵优化设计方法研究.pdf 对固液两相流离心泵的设计方法进行阐述，并分析了其弊端，指出了优化设计方法 的必要性。在此基础上提出优化设计方法，优化设计方法是指以对内部流动状态 的充分掌握为基础，以各部件对泵性能的影响机理为理论依据，以计算机及其辅 助软件为手段的设计方法。然后总结了发展优化设计方法亟待解决的问题，包括 对两相流的充分认识和对相关软件的熟练及