微型高速离心泵内部流动数值模拟和优化研究
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摘要
微型离心泵正在各种高科技前沿领域得到越来越广泛的应用,对其效率和可靠性的要求越来越高,但传统研究较多针对的是大尺寸的离心泵,对于微型离心泵,采用传统设计方法设计难以达到最佳效果。
本文以一台微型模型泵为基础,设计了针对微型离心泵的测试系统,实现对其不同工况下的外部特性的测试和分析。并利用计算流体力学(CFD)分析软件Fluent对模型泵进行了验证模拟,在模拟计算中采用了标准K-ε模型和S-A模型两种不同的湍流模型进行了分析,探讨了两种模式对微型泵内流计算的适用性,其中S-A模型的计算结果和实验结果的差值在10%以内。
基于内部流动的数值模拟对微型高速离心泵进行了参数化分析,采用了选定关键结构参数、改变参数建立新模型、对新模型进行测试、对测试结果进行比对的分析流程。定义和进行修改比较的关键结构参数主要有:叶片的出口角、涡室的轴向间隙、环形压水室的高度和出水管形状、前后盖板的形式和叶轮的轴面形状等。得到了若干能够较大幅度提高微型泵水力性能的方案,并结合内部流场的状况对其原因进行了分析。
对原泵和修改后的泵在不同流量下进行了非定常的数值模拟计算,得到了泵内部压力和轴向力波动曲线,经过分析推测了波动周期的计算公式以及在大流量下波动和动静干涉的关系,并提出了减小波动幅度的具体措施。
本文研究工作对改进微型高速离心泵的设计、提高性能和稳定性具有一定的意义,可为高可靠性微型高速离心泵优化设计奠定基础。
As high speed mini centrifugal pump is more frequently used in high technique areas, The requirements on its efficiency and reliability is much higher nowadays. But most of the research focus on bigger pumps, and traditional design methods can hardly achieve good outcome in designing mini pumps.
The thesis based on a model pump, Firstly a test system for mini pumps which can print its outer characteristic curve is designed. Computational Fluid Dynamics (CFD) technology software Fluent is used in simulation of the model pump to validate the test result, Two different turbulence models standard K- . model and S-A model is used in the stimulation. After evaluation the S-A model is considered more suitable for the simulation of mini pump, Its gap between experiment and simulation is below 10%.
Steady numerical simulation is used to analyze the performance of mini centrifugal pump through changes of key structure Parameters. The following sequences are used in analysis: Define the key structure Parameters, Change the key structure Parameters and build new models, Simulation on the new models, ComParison and analysis. The defined key structure Parameters are Outlet angel of impeller, Axial tip clearance, Diameter of round chamber and shape of delivery pipe, Style and axial shape of impeller. Some methods which can efficiently improve the hydraulic performance of mini pump are concluded. The internal flow field is analyzed to explain the reason.
Unsteady numerical simulation is used on original model and new model under different flowrate. The variation curve of internal pressure and axial force is obtained. The formula of period time and relationship between fluctuation and rotor-stator effect. Methods to minish the amplitude are concluded.
The Research is significative in imsproving the design method, outer performance and reliability of high speed mini centrifugal pump, and construct basis for optimization design of high reliability high speed mini centrifugal pump.
本文以一台微型模型泵为基础,设计了针对微型离心泵的测试系统,实现对其不同工况下的外部特性的测试和分析。并利用计算流体力学(CFD)分析软件Fluent对模型泵进行了验证模拟,在模拟计算中采用了标准K-ε模型和S-A模型两种不同的湍流模型进行了分析,探讨了两种模式对微型泵内流计算的适用性,其中S-A模型的计算结果和实验结果的差值在10%以内。
基于内部流动的数值模拟对微型高速离心泵进行了参数化分析,采用了选定关键结构参数、改变参数建立新模型、对新模型进行测试、对测试结果进行比对的分析流程。定义和进行修改比较的关键结构参数主要有:叶片的出口角、涡室的轴向间隙、环形压水室的高度和出水管形状、前后盖板的形式和叶轮的轴面形状等。得到了若干能够较大幅度提高微型泵水力性能的方案,并结合内部流场的状况对其原因进行了分析。
对原泵和修改后的泵在不同流量下进行了非定常的数值模拟计算,得到了泵内部压力和轴向力波动曲线,经过分析推测了波动周期的计算公式以及在大流量下波动和动静干涉的关系,并提出了减小波动幅度的具体措施。
本文研究工作对改进微型高速离心泵的设计、提高性能和稳定性具有一定的意义,可为高可靠性微型高速离心泵优化设计奠定基础。
As high speed mini centrifugal pump is more frequently used in high technique areas, The requirements on its efficiency and reliability is much higher nowadays. But most of the research focus on bigger pumps, and traditional design methods can hardly achieve good outcome in designing mini pumps.
The thesis based on a model pump, Firstly a test system for mini pumps which can print its outer characteristic curve is designed. Computational Fluid Dynamics (CFD) technology software Fluent is used in simulation of the model pump to validate the test result, Two different turbulence models standard K- . model and S-A model is used in the stimulation. After evaluation the S-A model is considered more suitable for the simulation of mini pump, Its gap between experiment and simulation is below 10%.
Steady numerical simulation is used to analyze the performance of mini centrifugal pump through changes of key structure Parameters. The following sequences are used in analysis: Define the key structure Parameters, Change the key structure Parameters and build new models, Simulation on the new models, ComParison and analysis. The defined key structure Parameters are Outlet angel of impeller, Axial tip clearance, Diameter of round chamber and shape of delivery pipe, Style and axial shape of impeller. Some methods which can efficiently improve the hydraulic performance of mini pump are concluded. The internal flow field is analyzed to explain the reason.
Unsteady numerical simulation is used on original model and new model under different flowrate. The variation curve of internal pressure and axial force is obtained. The formula of period time and relationship between fluctuation and rotor-stator effect. Methods to minish the amplitude are concluded.
The Research is significative in imsproving the design method, outer performance and reliability of high speed mini centrifugal pump, and construct basis for optimization design of high reliability high speed mini centrifugal pump.
引文
[1]M.B.克拉耶夫,B.A.卢金,B.B.奥夫祥尼科夫.航空与航天工程中的小流量泵,宇航出版社.
[2]王广义.锥形螺旋叶轮血泵流场数值模拟与分析.硕士学位论文,2007.3
[3]罗先武,许洪元,刘树红.叶片倾斜对微型泵水力性能的影响.清华大学学报(自然科学版),2005第45卷第5期.704-707
[4]牟介刚.离心泵现代设计方法研究和工程实现.博士学位论文,2005.10
[5]Shuhong Liu,Michihiro Nishi,Kouichi Yoshida,Impeller Geometry Suitable for Mini Turbo-Pump,Journal of Fluids engineering,September 2001,Vol.123/501.
[6]金树德,陈次昌.现代水泵设计方法.北京:兵器工业出版社,1993.41-43,91-107
[7]赵斌娟,王泽.离心泵叶轮内流数值模拟的现状和展望.农机化研究,2002.849-52
[8]孙建平,张克危,刘龙珍.离心泵的优化设计.农业机械学报,1997,28(3)
[9]袁卫星,张克危,贾宗谟离心泵射流-尾流模型的三元流动计算.水泵技术,1990,(1):12-18.
[10]吴玉林,曹树良,离心泵叶轮中紊流的计算.水泵技术,1997,(1):9-11.
[11]袁寿其,张玉臻,低比速泵水力设计原则及优化思想.农业机械学报,1997,28(2):155-158
[12]羌卫中,陈斌,张克,一种高扬程排污泵的CFD设计.流体机械,2002,(1):21-25
[13]王小翠,侯志敏,张新运,基于进化算法和CFD技术的离心泵低稠度导叶的优化设计.流体机械,2007第35卷第3期21-24
[14]刘文龙,郭加宏,陈红勋,CFD在双吸式离心泵优化设计中的应用。工程热物理学报,2007.5 421-423
[15]袁军娅,张振鹏,张纯良,小流量高速离心泵的一种优化方法.航空动力学报,2002年4月,259-262
[16]张剑慈,崔宝玲,李映,朱祖超,陈鹰低,比转速开式叶轮高速离心泵的优化设计系统.机械工程学报,2006年7月,19-23
[17]Steven J.Schneider,Joseph P.Veres,Chunill Hah,Anthony L.Nerone,Cameron C.Cunningham,Thomas G.Kraft,Paul F.Tavemelli,Satellite Propellant Pump Research.NASA/TM-2005-214025.AIAA-2005-3560
[18]关醒凡,现代泵技术手册.宇航出版社,1995.9
[19]韩占忠,王敬,兰小平,FLUENT流体工程仿真计算实例与应用.北京理工大学出版社,2006.8
[20]陈德江,王尚锦.应用有限元法计算离心式叶轮内部流场[J].应用力学学报,1999,16(1):27-32
[21]宁方飞,徐力平SPalart-Allmaras湍流模型在内流流场数值模拟中的应用.工程热物理学报,2001.5,第22卷第3期,304-306
[22]陈炜,低比转数离心泵内流模拟和结构优化.硕士学位论文,2007.5
[23]王瑞金,张凯,王刚,Fluent技术基础与应用实例.清华大学出版社,2007.2
[24]阎璐,胡欲立,温度升高对永磁直流电机效率的影响.微电机,第40卷第3期,2007.3
[25]袁寿其,低比转速离心泵理论与设计.机械工业出版社,1997
[26]耿少娟,聂超群,黄伟光,冯涛,刘克,不同叶轮形式下离心泵整机非定常场的数值研究.机械工程学报,2006.5,27-31
[27]陈晓龙,锅炉给水泵的振动机理与监测方法.诊断技术,22-24
[28]蔡荣泉,CFD工业应用趋势.中外船舶科技,2000.37,16-18
[29]何有世,袁寿其,陈池,CFD进展及其在离心泵叶轮内流计算中的应用.水泵技术,2002.3,23-26
[30]宁方飞,徐力平,sPalart-Allmaras 湍流模型在内流流场数值模拟中的应用.工程热物理学报,2001.5,304-306
[31]湛含辉,二次流现象及其初步研究.株洲工学院学报,2001.5,27-29
[32]郭维,白东安,超低比转速离心泵内流场计算及分析.火箭推进,2007.4,27-30
[33]黄建德,开式和闭式离心泵进口回流的研究.工程热物理学报,1997。1,43-47
[34]张晓娜,周凌九,彭光杰,数值模拟的离心挖泥泵叶轮优化设计.水泵技术,2005.6,35-37
[35]赵啸冰,许洪元,王晓东,朱卫华,张文达,水力机械蜗壳的研究进展.农业机械学报,2003.3,137-139
[36]陈彬,陈众,程福,一种小流量低比转速离心泵的设计.机械工程与自动化,2005.2,57-60
[37]葛宰林,吕斌,于馨,基于速度系数法的离心泵叶轮优化设计.大连铁道学院学报,2006.9,37-40
[38]史首宏,戴侃,高速泵振动问题的研究.当代化工,2004.4,104-107
[39]陈洪海,袁寿其,低比速离心泵优化设计方法.流体机械,2001.8,19-22
[40]李龙,陈黎明,泵优化设计国内现状及发展趋势.水泵技术,2003.2,9-11
[41]季柳金,离心式低浓纸浆泵压力脉动的研究及数值模拟.江苏大学硕士学位论文,2006.12
[42]罗崇来,袁义初.低比速离心泵中的效率和驼峰问题.水泵技术,1983,3:20-27
[43]刘甲凡,王能秀.改善低比速离心泵不稳定特性的方法分析.水泵技术,1991,1:1-4
[44]王家斌.孟祥岩.螺旋离心泵叶轮的测绘方法.水泵技术,2000(4)
[45]彭晓强,张永学,曹树良,王国玉.低比转数离心泵叶轮出口紊流流动机构分析.农业机械学报,2004,35(1):69-72
[46]闻建龙,沙毅.无过载超低比转速离心泵水力设计.江苏大学学报,2003,24(6):21-24
[47]张兄文,李国君,李军.离心泵叶轮内变流量流动特性的数值模拟.农业机械学报,2005,36(10)
[48]常近时.水力机械过渡过程[M].北京:机械工业出版社,1991
[49]孙建平,张克危.离心泵叶片形状的优化.华中理工大学学报,1997,25(2)
[50]施卫东,刘小龙,袁寿其.低比转数离心泵优化设计专家系统的研究.农业机械学报,2004,35(6)
[51]赵斌娟.王泽.离心泵叶轮内流数值模拟的现状和展望.农机化研究,2002(3)
[52]金树德.阵次昌.现代水泵设计方法.北京:兵器工业出版社,1993.41-43,91-107
[53]郭鹏程,罗兴铸,刘胜柱.离心泵内叶轮与蜗壳间耦合流动的三维紊流数值模拟.农业工程学报,2005,21(8)
[54]赖焕新,康顺,吴克启.离心式叶轮内部湍流及出口“射流—尾迹”结构的成因分析.推进技术,2000,21(1):45-48
[55]孙建平.张克危.泵优化水力设计的现状及展望.水泵技术,1994(5)
[56]张成.卫生型离心泵的设计要求.啤酒和饮料工业,2002(2)
[57]陈楚成.泵类产品技术发展状况.化工设备与管道,2005,42(4):59-60
[58]沈天耀,离心叶轮的内流理论基础.浙江大学出版社,1986
[59]陈德江,王尚锦.应用有限元法计算离心式叶轮内部流场[J].应用力学学报,1999,16(1):27-32
[60]施卫东,刘小龙,袁寿其.低比转数离心泵优化设计专家系统的研究.农业机械学报,2004,35(6)
[61]李世煌.低比速离心泵设计的几点讨论.水泵技术,1988,4:13-16
[62]Roland Heter,Yuguo Wen,etc.First Experiences with a Novel Magnetically Suspended Axial Flow Left Ventricular" Assist Device.European Journal of Cardio-Thoracic Surgery,2004:964-970
[63]Tsukamoto Y,Ito K,Sawairi T,etc.Computational Fluid Dynamic Analysis of a Centrifugal Blood Pump with Washout Holes.Artif Organs,2000,24(8):648-652
[64]Chia-Wen Lin,Jiin-Yuh Jang.3D numerical micro-cooling analysis for an electrohydrodynamic micro-pump.Sensors and Actuators,A122(2005)167-176
[2]王广义.锥形螺旋叶轮血泵流场数值模拟与分析.硕士学位论文,2007.3
[3]罗先武,许洪元,刘树红.叶片倾斜对微型泵水力性能的影响.清华大学学报(自然科学版),2005第45卷第5期.704-707
[4]牟介刚.离心泵现代设计方法研究和工程实现.博士学位论文,2005.10
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[16]张剑慈,崔宝玲,李映,朱祖超,陈鹰低,比转速开式叶轮高速离心泵的优化设计系统.机械工程学报,2006年7月,19-23
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[29]何有世,袁寿其,陈池,CFD进展及其在离心泵叶轮内流计算中的应用.水泵技术,2002.3,23-26
[30]宁方飞,徐力平,sPalart-Allmaras 湍流模型在内流流场数值模拟中的应用.工程热物理学报,2001.5,304-306
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[61]李世煌.低比速离心泵设计的几点讨论.水泵技术,1988,4:13-16
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