1 《機(jī)械科學(xué)與技術(shù)雜志》24日(10)(2010)2007~2016 離心泵的長(zhǎng)短葉片的空化行為 quangnhathaiandchangjinlee 航天信息工程系，建國(guó)大學(xué)，1深圳市華洋憶可恩東，廣津區(qū)，漢城143-701，韓國(guó) (手稿收到2009年9月3日；接受2010年6月23日2010年5月31日修訂；) 摘要： 離心泵里的2-d級(jí)聯(lián)模型cfd代碼是為了預(yù)測(cè)葉輪葉片的離心葉輪 的汽蝕行為?？刂品匠淌莾上嗬字Z平均navier-stokes方程為齊次形式，其中兩 個(gè)液相和氣相被視為不可壓縮流體。關(guān)閉模式，引入標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，液相 和氣相之間的傳質(zhì)速率也被實(shí)現(xiàn)。進(jìn)行參照比較在葉輪離心泵葉輪的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn) 驗(yàn)證。當(dāng)前離心泵的氣蝕特性測(cè)試是在設(shè)計(jì)測(cè)試點(diǎn)（v=8米/秒）和兩個(gè)非設(shè)計(jì) 點(diǎn)（v=20米

利用nurbs方法對(duì)離心泵葉片進(jìn)行建模,建立了離心泵葉片的空間樣條曲線,并應(yīng)用類(lèi)流線方法對(duì)葉片進(jìn)行優(yōu)化,使葉片在保持原有形狀的基礎(chǔ)上更為光滑。結(jié)果表明,利用該方法建立的模型,可以真實(shí)完整地反映葉片的形狀,優(yōu)化后的葉片表面的褶皺和凹凸消失,為葉片的性能分析、數(shù)控加工等工作提供了方便。

1 《機(jī)械科學(xué)與技術(shù)雜志》24日(10)(2010)2007~2016 離心泵的長(zhǎng)短葉片的空化行為 quangnhathaiandchangjinlee 航天信息工程系，建國(guó)大學(xué)，1深圳市華洋憶可恩東，廣津區(qū)，漢城143-701，韓國(guó) (手稿收到2009年9月3日；接受2010年6月23日2010年5月31日修訂；) 摘要： 離心泵里的2-d級(jí)聯(lián)模型cfd代碼是為了預(yù)測(cè)葉輪葉片的離心葉輪 的汽蝕行為?？刂品匠淌莾上嗬字Z平均navier-stokes方程為齊次形式，其中兩 個(gè)液相和氣相被視為不可壓縮流體。關(guān)閉模式，引入標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，液相 和氣相之間的傳質(zhì)速率也被實(shí)現(xiàn)。進(jìn)行參照比較在葉輪離心泵葉輪的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn) 驗(yàn)證。當(dāng)前離心泵的氣蝕特性測(cè)試是在設(shè)計(jì)測(cè)試點(diǎn)（v=8米/秒）和兩個(gè)非設(shè)計(jì) 點(diǎn)（v=20米

選取工業(yè)中常用的df型多級(jí)離心泵作為研究對(duì)象,數(shù)值計(jì)算使用了fluent軟件及其rngk-ε湍流模型和多重參考坐標(biāo)系,實(shí)現(xiàn)了節(jié)段式多級(jí)離心泵任意一整級(jí)(包括葉輪導(dǎo)葉在內(nèi))的全三維流場(chǎng)的數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示在葉輪出口與導(dǎo)葉入口銜接處,葉輪出流因受到導(dǎo)葉葉片頭部的阻擋干擾,導(dǎo)致局部流體逆葉輪旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)。液流的靜壓值在正導(dǎo)葉出口附近達(dá)到泵級(jí)內(nèi)最大值,進(jìn)入反導(dǎo)葉后因沿程出現(xiàn)的水力損失靜壓值略有降低。計(jì)算結(jié)果得到了泵外特性實(shí)測(cè)值的驗(yàn)證。

葉片水力模型提供的葉片表面型值點(diǎn)柱坐標(biāo)不能直接用于ugnx三維造型。在葉片水力模型的基礎(chǔ)上,給出計(jì)算葉片表面型值點(diǎn)直角坐標(biāo)的算法流程,介紹沿軸面截線方向進(jìn)行葉片三維造型的方法,簡(jiǎn)述基于ugnx平臺(tái)的葉片三維造型二次開(kāi)發(fā)的步驟,定義程序開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),在支撐軟件ugnx中程序化實(shí)現(xiàn)葉片的三維實(shí)體造型。實(shí)際使用結(jié)果表明該方法可以縮短葉片類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期,提高設(shè)計(jì)精度。

對(duì)某臺(tái)多級(jí)離心泵進(jìn)行葉片加長(zhǎng)技術(shù)改造,提出了多級(jí)離心泵葉片加長(zhǎng)的方法、原則以及實(shí)施措施。改造后的水泵性能良好。實(shí)踐證明該方法有效、可行,具有指導(dǎo)意義。

雙吸三元扭曲葉片離心泵具有葉片形狀復(fù)雜與多流道等特征,其三維造型涉及問(wèn)題較多,在泵的三維造型中具有普遍性。為此,以gambit軟件為設(shè)計(jì)平臺(tái),結(jié)合一個(gè)具體的雙吸離心泵的造型實(shí)例,介紹了雙吸離心泵扭曲葉片葉輪和螺旋形蝸殼等部件三維造型的方法,并給出了創(chuàng)建實(shí)體模型的詳細(xì)步驟及三維模型圖;此外,還簡(jiǎn)要說(shuō)明了在gambit軟件中建模需要注意的問(wèn)題。

利用目前最新的多尺度激光掃描技術(shù)手段獲取大型雙吸離心泵全方位的真三維數(shù)據(jù),建立雙吸離心泵的三維可視化模型。該技術(shù)在用于獲取復(fù)雜外形實(shí)體數(shù)據(jù)時(shí)比傳統(tǒng)測(cè)量方法更為精確和快速。泵的真三維模型數(shù)據(jù)成果,可用于泵的逆向工程建模獲取cad模型,進(jìn)行全方位立體三維展示和工業(yè)制造;還可通過(guò)對(duì)泵的過(guò)水部件的水體模型提取,進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(cfd)分析,用于泵水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

離心泵是重要的船用機(jī)械配套設(shè)備，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和功能強(qiáng)大的三維制圖軟件為構(gòu)造具有復(fù)雜曲面的離心泵蝸殼及葉輪流道提供了極大的便利。本文在逆向工程思想的指導(dǎo)下，結(jié)合三維激光掃描儀、相關(guān)點(diǎn)云處理軟件和三維cad軟件，精確地構(gòu)建出離心泵的三維模型。建立泵的三維水力模型，利用cfd方法分析其內(nèi)部流動(dòng)現(xiàn)象和規(guī)律。將離心泵性能預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，結(jié)果表明兩者符合的很好，為泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提升打下了基礎(chǔ)。

針對(duì)同一葉輪配不同導(dǎo)流器,通過(guò)試驗(yàn)分析,探索提高潛水泵效率的途徑。以250qj125型潛水泵配兩種導(dǎo)流器為例,通過(guò)cfd數(shù)值計(jì)算,預(yù)測(cè)出潛水泵的性能,將解析法求得的潛水泵最佳工況點(diǎn)與模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較,其結(jié)果較為吻合。經(jīng)對(duì)兩種導(dǎo)流器內(nèi)部的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分析,提出了增加導(dǎo)流器長(zhǎng)度、增大導(dǎo)葉片進(jìn)口沖角和壁角等方法可提高潛水泵的效率。

為研究離心泵啟動(dòng)過(guò)程中的瞬態(tài)流動(dòng),提出采用動(dòng)網(wǎng)格方法求解邊界移動(dòng)引起的非定常流動(dòng)的思想。首先通過(guò)對(duì)圓柱啟動(dòng)問(wèn)題的模擬驗(yàn)證該方法的有效性,并分別采用3種湍流模式進(jìn)行對(duì)比研究,結(jié)果證明了大渦模擬(les)的適用性;其次計(jì)算分析二維模型泵啟動(dòng)過(guò)程內(nèi)部流動(dòng)瞬態(tài)特性;最后實(shí)現(xiàn)了離心泵啟動(dòng)過(guò)程三維瞬態(tài)流動(dòng)的求解,得到了內(nèi)部瞬態(tài)流動(dòng)的模擬結(jié)果。

提出旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的單相液體湍流的二階雙系數(shù)動(dòng)態(tài)亞格子應(yīng)力大渦模擬模型并加以驗(yàn)證?？紤]亞格子應(yīng)力的對(duì)稱(chēng)性和量綱一致性,在基于應(yīng)變率張量和旋轉(zhuǎn)率張量的不可約量及smagorinsky模型和亥姆霍茲定理的基礎(chǔ)上,提出亞格子應(yīng)力應(yīng)表示為可解的應(yīng)變率張量和旋轉(zhuǎn)率張量的函數(shù)。在貼體坐標(biāo)系下,利用交錯(cuò)網(wǎng)格系統(tǒng)和有限體積法離散湍流控制方程,采用simplec方法求解方程。水泵葉輪中湍流的流速分布規(guī)律和壓力分布等計(jì)算結(jié)果都與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,從而證明了此模型的可行性,以及計(jì)算方法和程序的可靠性

在雙吸離心泵的設(shè)計(jì)中,半螺旋形吸入室應(yīng)用極為廣泛。該文運(yùn)用流場(chǎng)計(jì)算軟件fluent,基于reynolds時(shí)均方程和rngk-ε湍流模型,對(duì)雙吸離心泵半螺旋形吸入室的流場(chǎng)進(jìn)行了三維模擬。模擬結(jié)果顯示流場(chǎng)速度變化較為均勻,表明這種半螺旋形吸入室作為雙吸離心泵的吸入室是合適的。

采用simple算法、kε-ap模型和混合四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在笛卡爾坐標(biāo)系中對(duì)離心式污水泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,得出了污水泵內(nèi)固體顆粒的流動(dòng)規(guī)律以及固體顆粒的分布特征,為離心式污水泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考。

以雙吸離心泵為研究對(duì)象,在fluent軟件中采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、rngk-ε模型、realizablek-ε模型和雷諾應(yīng)力模型4種湍流模型在相同網(wǎng)格條件下進(jìn)行三維、穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,計(jì)算其在不同工況下的揚(yáng)程及水力效率;然后以rngk-ε模型計(jì)算結(jié)果作為初值,用大渦模擬方法進(jìn)行三維、非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,計(jì)算葉輪旋轉(zhuǎn)一周的平均揚(yáng)程及平均水力效率,與真機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果表明:fluent軟件在穩(wěn)態(tài)計(jì)算的情況下,所采用4種模型均能夠?qū)﹄p吸離心泵進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,且模擬的精度有差別,但總體與模型試驗(yàn)結(jié)果誤差較大。使用穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果作為初值,用大渦模擬方法進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬可以得到更為精確的結(jié)果,但大大增加了計(jì)算工作量。

從現(xiàn)有的二維水力設(shè)計(jì)軟件出發(fā),依據(jù)葉片木模圖、型值點(diǎn)數(shù)據(jù),利用pro/ewildfire4.0軟件,實(shí)現(xiàn)了扭曲葉片的三維造型,為后續(xù)對(duì)葉輪流道進(jìn)行流場(chǎng)分析和葉片數(shù)控加工提供了模型基礎(chǔ)。

利用cfd軟件fluent對(duì)1200s56型泵的不同工況作流場(chǎng)計(jì)算。計(jì)算采用雷諾時(shí)均方程和realizable湍流模型,壓力和速度耦合采用simplec算法。得到不同工況下葉輪出口與蝸殼耦合面的靜壓分布,在將徑相力簡(jiǎn)化認(rèn)為葉輪周?chē)鲌?chǎng)對(duì)葉輪的徑向作用力的基礎(chǔ)上,提出離心泵徑向力計(jì)算的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算出各個(gè)工況下葉輪所受的徑向力,其值與試驗(yàn)值比較接近。而經(jīng)驗(yàn)公式存在較大誤差,非設(shè)計(jì)工況時(shí)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值偏大,設(shè)計(jì)工況時(shí)偏小。

以北趙引黃工程謝村站用多級(jí)雙吸式離心泵為研究對(duì)象,基于雷諾時(shí)均n-s方程,采用sstk-ω湍流模型,壓力速度耦合使用simplec計(jì)算,對(duì)泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了三維定常全流場(chǎng)湍流數(shù)值模擬,得到不同工況下該泵內(nèi)部流動(dòng)的速度矢量圖等流場(chǎng)信息.在對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了定性分析的基礎(chǔ)上,預(yù)測(cè)了泵的性能,并與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析.分析結(jié)果表明:首級(jí)葉輪首級(jí)壓水室以及次級(jí)葉輪次級(jí)壓水室內(nèi)流動(dòng)較均勻；由于過(guò)渡流道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及流動(dòng)慣性,流體在首級(jí)壓水室進(jìn)入過(guò)渡流道時(shí),在流道突然擴(kuò)大區(qū)域形成了旋渦,旋渦區(qū)域大小與流量有關(guān)；預(yù)測(cè)揚(yáng)程值與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試揚(yáng)程吻合較好,預(yù)測(cè)揚(yáng)程最大誤差為2.7％,而預(yù)測(cè)的流量-水力效率曲線與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試流量-機(jī)組效率曲線變化趨勢(shì)一致.水泵內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)值模擬可為工程中泵設(shè)計(jì)階段的性能預(yù)測(cè)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù).

采用激光掃描技術(shù)建立寧東供水工程雙吸離心泵三維實(shí)體模型,并采用cfd技術(shù),模擬泵內(nèi)水流流動(dòng)規(guī)律,確定水泵宜磨蝕部位,并利用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)估其磨蝕深度,為泵站有針對(duì)性地開(kāi)展抗磨蝕工作奠定了基礎(chǔ)。

為了解多級(jí)離心泵首級(jí)葉輪內(nèi)部流動(dòng)特性,基于n-s方程和標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型對(duì)三長(zhǎng)三短復(fù)合葉輪和四長(zhǎng)四短復(fù)合葉輪內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,獲得了兩種葉輪在額定工況及非額定工況下的內(nèi)部流場(chǎng)分布并進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示,四長(zhǎng)四短葉輪可改善葉輪內(nèi)部流場(chǎng)、提高葉輪吸力面壓力,進(jìn)一步阻止小流量下的脫流現(xiàn)象,有效提高了整個(gè)泵的揚(yáng)程和效率及高效區(qū)。

運(yùn)用cfx流動(dòng)軟件的滑移網(wǎng)格和標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型對(duì)工業(yè)中常用的dl型多級(jí)沖壓離心泵整級(jí)進(jìn)行了全三維瞬態(tài)流場(chǎng)的數(shù)值模擬,分析泵內(nèi)葉輪與導(dǎo)葉間的動(dòng)靜干擾問(wèn)題?；凭W(wǎng)格分別設(shè)置在多級(jí)離心泵葉輪出口、固定導(dǎo)葉入口與泵內(nèi)流體之間的交互界面,對(duì)每個(gè)時(shí)間步求解流動(dòng)方程。在任一個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi),分析葉輪入口和出口的總壓值出現(xiàn)脈動(dòng)信號(hào)頻率與葉輪葉片數(shù)的關(guān)系。分析了葉輪入口和出口處總壓波動(dòng)的幅度。該三維非穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果為多級(jí)沖壓離心泵的水力優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

基于reynolds時(shí)均化的n-s方程和標(biāo)準(zhǔn)的k-ε兩方程湍流模型,運(yùn)用流場(chǎng)計(jì)算軟件fluent,在不同工況下對(duì)qw950-15-55型雙流道污水泵葉輪蝸殼耦合流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,捕捉到了雙流道葉輪內(nèi)流的重要特征。依據(jù)計(jì)算結(jié)果,主要分析了設(shè)計(jì)工況時(shí)雙流道葉輪內(nèi)部的速度和壓力分布情況。葉輪內(nèi)壓力分布與葉片式離心泵的數(shù)值模擬是類(lèi)似的;在偏離設(shè)計(jì)的大流量工況,葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱(chēng)性;葉輪內(nèi)部流動(dòng)為混合螺旋流,由軸向旋渦作用引發(fā)的相對(duì)速度旋渦的渦核位置靠近后蓋板和壓力側(cè);葉輪出口的壓力和絕對(duì)速度分布呈現(xiàn)明顯的周期性,其周期性與葉輪流道的周期性是對(duì)應(yīng)的;靜壓周向分布的軸向不對(duì)稱(chēng)性較小,而速度周向分布的不對(duì)稱(chēng)性則較大。對(duì)比試驗(yàn)與數(shù)值模擬的揚(yáng)程和水力效率值,數(shù)據(jù)基本吻合。