过程流体机械课程设计

课程设计论文

论文题目: 过程流体机械课程设计学科专业：过程装备与控制工程

摘要

为了了解叶轮内部流动特性，自行设计了叶轮，采用5片普通圆柱形叶片进行内部流动特性数值模拟，得到两种工况下的叶轮内部流场分布，分析了不同流量下的流量—扬程和流量——效率关系。计算结果表明，扬程随着流量增大而减小，效率随着流量增大而减小，到达最佳工况点之后，效率开始下降。

关键词：离心泵；水力设计；流量；内部流场；数值模拟

目录

摘要

第一章叶轮水力设计 (1)

1.1已知设计参数 (1)

1.2泵的设计参数和结构形式计算和确定 (1)

1.2.1泵形式及级数的确定 (1)

1.2.2 泵效率计算 (2)

1.2.3泵的轴功率 (2)

1.3叶轮主要几何参数的计算和确定 (3)

1.3.1泵轴传递的扭矩 (3)

1.3.2泵的最小轴径 (3)

1.3.3叶轮轮毂直径d h (3)

1.3.4叶轮进口直径D j的初步计算 (3)

1.3.5叶片进口直径D1的初步计算 (4)

1.3.6叶片出口直径D2的初步计算 (4)

1.3.7叶片进口宽度b1 的初步计算 (4)

1.3.8 叶片出口宽度b2的初步计算 (5)

1.3.9 叶片包角φ (5)

1.3.10 叶片出口圆周厚度 (5)

1.3.11叶轮叶片进口安放角 (5)

1.3.12 叶片进口速度 (6)

1.4叶轮主要几何参数 (6)

第二章欧拉方程性能计算 (7)

2.1离心泵的理论扬程 (7)

2.2 考虑有限叶片数的影响 (7)

第三章计算流体力学方法及分析 (9)

3.1计算模型的建立 (9)

3.2网格划分 (11)

3.3 流场计算边界条件 (12)

3.4数值模拟基本参数 (14)

3.5数值模拟结果分析 (14)

3.5.1 叶轮内部流场的压力分布 (14)

3.5.2 速度分布 (16)

3.5.3水泵扬程和水力效率的预测与收敛图 (18)

3.6总结 (20)

参考文献 (22)

第一章 叶轮水力设计

1.1已知设计参数

流量Q =20m 3/h 转速n =1450r/min 比转速 80—100

1.2泵的设计参数和结构形式计算和确定

1.2.1泵形式及级数的确定 泵的比转速【1】

39.823.6)65.3(3

/4—==s

n Q n H (1-1) 取为7mm ，故

66.917

3600

/20145065.365.34

34

3=??=

=

H

Q n n s （1-2）

故泵的水力方案为：单级单吸式离心泵。

泵的进口直径

取泵的流速s v

=2.7/m s ；

s

v Q Ds ?=

π4

= =55mm （1-3）

取为55mm

泵的出口直径

Ds Dd )7.01(-= （1-4） 由于该泵为中型扬程泵，故

D D s

d = =55mm

重新计算泵的进出口速度

错误！未找到引用源。=2.338m/s ，取为2.4m/s

1.2.2 泵效率计算

（1）水力效率【1】

849.01450

3600/20lg 0835.01lg 0835.0133

=+=+=n Q h η （1-5） （2）机械效率【1】

923.0100107

.016

7

=??

?

??-=s m n η （1-6）

（3）容积效率【1】

967.033

.9168.011

68.0113

23

2=?+=

+=

--s

v n η （1-7）

（4）总效率【1】

758.023.0849.0967.0=??==h m v ηηηη （1-8） 1.2.3泵的轴功率

kw gQH N 52.0758

.010007

36002081.91000=??÷?==

ηρ （1-9） 4.0==ηN N

e

1.3叶轮主要几何参数的计算和确定

1.3.1泵轴传递的扭矩

m N n N M e n ?=?==63.21450

4.0955010*5

5.93

（1-10）

1.3.2泵的最小轴径

对于45号钢，经调质处理之后HB =241–286，25/10)540441(][m N ?-=τ 取 25/10540][m N ?=τ，则最小轴颈

[]mm Mn d 24.610

5402.063

.22.035

3

=??==τ （1-11） 1.3.3叶轮轮毂直径d h

取系数k =1.3,则

mm kd d h 5.724.63.1=?== （1-9）

取为8mm

1.3.4叶轮进口直径D j 的初步计算

D 0可由系数速度系数法求得

【2】

mm n Q K D o o 46.591450

3600

/200.433

=?== （1-10） K 0——系数，根据统计资料选取 主要考虑效率 K 0 =3.5—4.0 兼顾效率和气蚀 K 0 =4.0—4.5 主要考虑气蚀 K 0 =4.5—5.5 此处取 K 0 =3.8 对于穿轴叶轮：

mm d d D h o j 53.595.746.59222

2=+=+= （1-11）

取为60mm

1.3.5叶片进口直径D 1的初步计算

由于泵的比转速为91.66，故k 1应取较大值0.93

mm D k D j 73.55609.011=?== （1-12）

取为56mm

系数k 1的数值范围为k 1 =0.7–1.0 1.3.6叶片出口直径D 2的初步计算

目前离心泵设计中普遍采用的速度系数法提出的叶轮外径的计算公式[1] mm n

gH

n n gH k D s D 94.15221002.1926

1

22=??

?

??== (1-13） 取为154mm

1.3.7叶片进口宽度b 1 的初步计算

()

2

20/4h

j v

d D Q V -=

πη （1-14） 1

1/1V D Q b v

πη=

（1-15） 所以

1

2

11200441D K D D V D V b v == （1-16）

其中，

10

v V K V =,不妨取K v =0.9，

mm D k D b v 53.1756

9.0446.5942

12

01=??== （1-17）

取为18mm

1.3.8 叶片出口宽度b 2的初步计算

由经验公式

mm

n

gH

n b s 86.9210039.15

.12=?

??

??= （1-18） 取为10mm 1.3.9 叶片包角φ

如叶片数z 大，φ应小一些，如叶片数z 小，φ应取大一些。一般φ可取 85°—110°，少数可达150°，故φ取120°。Φ与叶片间距

0t 360/z = （1-20）

的比值φ/t 0反映了叶栅稠密度，叫做相对稠密度。 1.3.10 叶片出口圆周厚度

mm ctg ctg s u 680sin /3013sin /12222222=?+=+=λβδ （1-21） δ2 —— 叶片出口真是厚度，通常取δ2 =2-4mm λ2 —— 叶轮出口轴面截线与流线的夹角，通常取 λ 2

=70°-90 °

1.3.11叶轮叶片进口安放角

对于低比转速离心泵，C. 普费莱德纳尔提出了如下的计算公式[2]

)2

(sin *-*

5.6121212ββ++=D D D D z

（1-22） 由此公式推导出叶片进口角β

1

?=+??=+=2130-)

56156(5.6)56-(1546arcsin 2-)(5.6)D -(arcsin

2212121ββD D D z （1-23）

1.3.12 叶片进口速度

π

214J D Q u =

（1-24）

计算变工况条件下的泵进口流速: 当Q=10m 3/h 时，1u =1.2m/s; 当Q=20m 3/h 时，2u =2.4m/s; 当Q =24m 3

/h 时，3u =2.88m/s;

1.4叶轮主要几何参数

综上所述，叶轮主要几何参数如下表所示：

表1.1 叶轮主要参数

参数名称

计算结果 最终取值

泵的最小直径d （mm ） 6.24 7 叶轮轮毂直径d h （mm ） 7.5 8 叶轮进口直径D j （mm ） 59.53 60 叶片进口直径D 1 （mm ） 55.73 56 叶片出口直径D 2 （mm ） 152.94 154 叶轮进口宽度b 1 （mm ） 17.53 18 叶轮出口宽度b 2 （mm ） 9.86 10

叶片出口安放角?2A （°）（

30 30 叶片进口安放角?1A （°）

21 21 叶片数Z 6

6 叶片进口速度（m/s ） 1.2，2.4，2.88

\ 叶片包角φ（°）

120

120

第二章 欧拉方程性能计算

2.1离心泵的理论扬程

假定叶片为无穷多，由方程式[1]

)-(22

22

βctg F Q u g u H t t =

∞ （2-1） 式中：

F 2——叶轮出口有效过流面积，

222220004.085.0102152.88/22m b R F =????==πψπ （2-2）

ψ2=0.8–0.9；

R 2——叶轮外圆半径； u 2——圆周速度，

s m n

D u /6.1160

1450

14060

22=??=

=

ππ （2-3）

D 2——出口处研究处点的直径； β2A ——叶片出口安放角30； 计算结果：

t t t t Q ctg Q ctg F Q u g u H 501.98-72.13300004.0-6.1181.96.11-2222=???

?

???=???? ??=

∞β （2-4） 2.2 考虑有限叶片数的影响

经过分析与推证，对低比转速叶轮，普氏将滑移系数的计算公式具体总结【4】

726.0/70(15-116030150.6211

/(-11601211212=?

?? ??+?+=??? ??++=

）

）D D z a βμ

（2-5）

a ——与泵体结构有关的经验系数； 对导叶压液室a =0.6; 对涡壳压液室a =0.65—0.85; 对环形压液室a =0.85—1.O ；

F ——封闭周线所围面积，

222288.95930sin 7.63841

sin 41mm t F =??==

β （2-6） T ——叶片节距，

mm z D T 96.875

4012=?==

π

π （2-7） 计算结果:

t t t t Q ctg Q ctg F Q u g u H 17.2-13.2543000095988.0-6.5881.96.58726.0-222=??

?

?????=??? ??

=

βμ （2-8）

第三章计算流体力学方法

3.1计算模型的建立

叶轮流道的实体造型是进行流场数值模拟的基础，模型的精确与否直接影响了计算结果的可信度。本文利用自行设计的叶轮，结合UG软件进行叶片、叶轮的精确三维实体造型，为后续的数值模拟奠定了良好的基础。

3.1.1叶轮模型的建立

根据叶轮的结构参数，利用UG软件进行叶片、叶轮流道的精确三维实体造型[5]，生成叶轮的三维实体模型，图3-1是子午视图，图3-2是叶轮三维造型，图3-3是叶轮流到实体模型

图3.1 子午视图

图3.2

图3.3

3.2网格划分

网格是CFD模型的几何表达式，也是模拟和分析的载体。网格质量对CFD计算精度和计算效率有重要的影响。对于复杂的模型，网格生成是一个漫长而枯燥的过程，经常需要进行大量的试验才能取得成功。GAMBIT是作为FLUENT求解器的专用前处理软件包，用来为数值模拟生成网格模型。GAMBIT提供了混合网格、结构网格和非结构网格等多种类型的网格。

本文设计的叶轮比较简单，进行网格划分时只需要把进口壁和叶片部分划的网格间距不一样即可。利用UG软件生成几何模型保存成STP格式文件后，导入GAMBIT中进行混合网格划分，其步骤如下：

首先把整个模型根据不同的层次分成两个体，得到分别为Z1进口部分和Z2叶片部分两个体。

图3.4

图3.5

3.3 流场计算边界条件

下面对圆柱形叶片流道叶片的叶轮进行数值计算。其中，叶片数Z=6，设计工况点为转速n=1450r/min,流量Q=10m3/h。

对叶轮内部流动而言，主要存在进口边界、出口边界和固壁边界。

（1）进口边界

对于不可压流动，进口边界取为速度入口边界条件(velocity-inlet)。在计算出轴向速度时，假设进口边界上无切向速度与径向速度，并且轴向速度是均匀分布的，因此根据流量即可计算出进口速度。

（2）出口边界

在计算区域的出口边界上，流动情况完全由区域内部外推得到，可以认为流动己充分发展，即对上游的流动参数没有影响，故取自由出流边界条件

(outflow)。

（3）固壁边界

对于固壁边界条件，因不存在壁面有抽吸或喷射等情况，所以固壁表面取为无滑移边界条件。对壁面的k、ε，可根据标准壁面函数法进行取值在旋转坐标系中，计算采用segregated方法，湍流模型k-ε,模型中的系数均采用默认值。

3.4数值模拟基本参数

进行数值模拟的基本参数如表3-1所示：

表3-1 数值模拟的基本参数

参数值

流量Q (m3/h)

10,20,24

转速n (r/min) 1450

出口角β(）30

叶片数Z 6

3.5数值模拟结果分析

3.5.1 叶轮内部流场的压力分布

图3.7、3.8和3.9示出叶轮中间截面流场的压力分布图。从图3.7、图3.8和图3.9可以看出，从进口到出口，示一个静压不断增大的过程。液体水进入泵体后，通过扩散逐步把动能转化为压能。由于粘性流体和惯性力的作用，随着半径增大，压力逐渐增大。由于转速较高，在进口范围内形成低压区，在叶轮出口存在压力较大的区域。

图3.7 Q=10m3/h中截面静压图

图3.8 Q=20m3/h中截面静压图

图3.9 Q=24m3/h中截面静压图

3.5.2 速度分布

图3.9,3.10所示水泵中间截面的速度分布图。由图3.10、图3.11和图3.12可以看出，随着叶轮圆周直径的增大，圆周速度增大，则速度随之增大。