转速变化对离心泵性能影响的数值模拟研究及调速调节节能分析

【摘要】：在工程实际中,离心泵变工况运转非常常见,而在离心泵调节工况的诸多方法中,调速调节的节能优势是非常明显的。这就需要我们研究当离心泵转速变化时,其内部流场和性能参数的变化情况,以完善现有的半经验理论,更好指导实际生产。同时,对于一些大功率离心泵,由于实验室容量、驱动原动机功率等各种条件的限制,不能按规定转速进行全速性能试验,只能采用降速试验,然后再通过比例定律将降速测量参数换算为规定转速的参数,这时,比例定律的准确与否将起着至关重要的作用,所以有必要对比例定律进行验证,以确定其准确性和适用范围,为实际的应用提供参考。 为此,本文选用实际中使用广泛的单级双吸离心泵为研究对象,通过数值模拟的方法,对其8个不同转速所对应的5组相似工况下的内部流场及外特性进行了对比研究,并计算了离心泵调速调节的节能效果。本文主要的研究成果如下: 1.建立了双吸离心泵的三维模型,并进行了网格划分,将画好网格的模型导进Fluent软件中,对其进行了全流道三维数值模拟。 2.对模拟结果进行了后处理,得到了压水室和叶片正面、背面的压力和速度分布云图,通过对比压力云图发现,在相似工况点上,离心泵压水室、叶片正面和背面的压力分布非常相似,近乎完全相同,说明本文所研究的泵在相似工况下内部流场可以实现动力相似,同时也说明本文的流场计算是基本正确的;通过对比速度云图发现, 0.7n、0.9n、1n、1.1n、1.2n、1.3n下的相似工况点上压水室内的速度分布近乎完全相同,而在0.6n、0.8n下的相似工况点上,压水室内的速度分布在扩散管处和另外6个相似工况点略有不同,叶片正面和背面的速度分布则规律非常相似。总体来看,速度分布在叶片上和压水室内的变化规律还是高度相似的,说明各相似工况点上的流动可以满足运动相似。 3.通过数值模拟的结果预测了泵在不同转速下的性能参数,然后和比例定律的计算结果进行了比较,发现在0.6n～1.3n的转速变化范围以内,比例定律能较好的预测泵的性能参数随转速的变化情况,对本文所选的5组相似工况点,比例定律计算误差大多在1%以内,可以满足实际需要。 4.分析了调速调节的节能原理和影响调速调节节能效果的因素,并计算了泵在特定管网下的节能效果。通过计算发现,使用调速调节具有良好的节能效果,随着调节量的增加,调速调节的节能效果也越明显,当在低流量下运行时,节能率可达74.58%。 【关键词】：离心泵 转速 数值模拟 节能
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TH311
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题研究背景及研究意义10-11
• 1.2 国内外研究现状综述11-16
• 1.2.1 转速变化对离心泵性能影响的研究现状11-13
• 1.2.2 离心泵内部流场数值模拟的研究现状13-16
• 1.2.2.1 无粘性流动数值模拟13
• 1.2.2.2 分区考虑粘性效应的数值模拟13-14
• 1.2.2.2.1 势流－边界层的迭代解法13
• 1.2.2.2.2 射流－尾迹模型13
• 1.2.2.2.3 涡量－流函数法13-14
• 1.2.2.3 三维粘性流动数值模拟14-15
• 1.2.2.3.1 直接数值模拟（DNS）14
• 1.2.2.3.2 大涡模拟（LES）14
• 1.2.2.3.3 Reynolds 平均法(RANS)14-15
• 1.2.2.4 湍流模式理论的研究15-16
• 1.2.2.4.1 紊流模型的研究15
• 1.2.2.4.2 CFD 商业软件的开发与应用15-16
• 1.3 课题主要研究内容16-17
• 第2章 计算模型的建立和网格生成17-21
• 2.1 计算模型的三维实体建模17-18
• 2.1.1 计算模型的选取17
• 2.1.2 建模软件的选取17-18
• 2.1.3 计算模型的建模18
• 2.2 计算区域网格的划分18-21
• 2.2.1 网格划分软件的选取及ICEM 软件简介18-19
• 2.2.2 网格划分19-21
• 第3章 离心泵全流道内部流动的数值模拟21-29
• 3.1 准备计算网格21-24
• 3.1.1 计算网格的读入21-22
• 3.1.2 统一单位22-23
• 3.1.3 网格检查23-24
• 3.1.4 平滑和交换网格24
• 3.2 设置模型24
• 3.2.1 选择求解器24
• 3.2.2 运行环境的选择24
• 3.3 确定湍流模型24-27
• 3.4 定义材料27
• 3.5 定义边界条件27-28
• 3.6 定义离散方法28
• 3.7 计算的初始化和迭代28
• 3.8 收敛判据28
• 3.9 计算结果28-29
• 第4章 模拟结果的分析计算29-49
• 4.1 离心泵的相似理论及比例定律29-30
• 4.2 不同转速下相似工况点上内部流场的比较30-44
• 4.2.1 相似工况点上压力场的比较31-36
• 4.2.2 相似工况点上速度场的比较36-44
• 4.3 模拟结果和比例定律的对比44-49
• 4.3.1 扬程、功率及效率的计算44-45
• 4.3.2 模拟结果和比例定律的对比45-49
• 第5章 离心泵调速调节节能分析49-56
• 5.1 离心泵调速节能原理49-53
• 5.1.1 调速调节的节能原理49-50
• 5.1.2 调速调节节能效果的影响因素50-53
• 5.1.2.1 离心泵自身性能的影响50
• 5.1.2.2 调速装置的影响50-51
• 5.1.2.3 管路特性的影响51-52
• 5.1.2.4 定速泵的影响52-53
• 5.2 节能效果的计算53-56
• 结论与展望56-58
• 参考文献58-61
• 致谢61-62
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录62

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