本文關(guān)鍵詞：雙向立式軸流泵裝置內(nèi)流機理及流固耦合分析，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：本文的研究是在國家科技支撐計劃項目(2015BAD20B01)等的資助下展開的相關(guān)工作。在人類水利事業(yè)中,泵站是其中的重要部分,它在對大自然進行合理改造的過程中起到了關(guān)鍵作用,也在其他方面發(fā)揮了越來越重要的作用,比如跨流域的調(diào)水、城鎮(zhèn)中的供排水、工業(yè)供水、流體輸送等。近年來,隨著許多大型水利工程的建設(shè),單向的泵站已無法滿足工程需求,如在大型調(diào)水工程中,既要以灌溉送水為主,同時要兼顧特大洪水年份的排澇。而雙向進出水流道立式軸流泵裝置由于結(jié)構(gòu)緊湊,占地省等優(yōu)點,正逐步應(yīng)用于我國排澇灌溉領(lǐng)域中。雙向流道泵裝置的運行效率很大程度上依賴于雙向進出水流道的水力性能,而目前對雙向流道的內(nèi)部流動特性研究仍然不夠深入,阻礙了雙向流道泵裝置性能的提高,故研究雙向進出水流道的流動特性對軸流泵裝置的影響具有重要意義。此外,由于雙向流道泵裝置運行時出水流道內(nèi)部水流紊亂,使暴露于其中的泵軸受到不平衡徑向力的作用,不僅引起泵軸及系統(tǒng)的振動,還會導(dǎo)致軸承及填料密封的偏磨,造成嚴重后果,因此對雙向軸流泵裝置內(nèi)部非定常流場和考慮流固耦合的水力振動研究具有重要的理論價值。本文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點有:1.以一臺軸流泵段為研究對象,首次對在具有相同葉輪和導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)參數(shù)下的軸流泵段和雙向進出水流道泵裝置兩種情況的2個模型進行數(shù)值模擬對比研究,分析雙向進出水流道對軸流泵裝置內(nèi)外特性的影響。選用SST k-ω湍流模型對2個模型進行非定常流場的計算。在葉輪進口、葉輪和導(dǎo)葉的交界面以及導(dǎo)葉出口布置了三個監(jiān)測點來預(yù)測和比較兩個模型的壓力脈動情況,對比分析了兩種情況下泵的外特性曲線,以及2個模型在葉輪進口、葉輪與導(dǎo)葉交界面以及導(dǎo)葉出口上的湍動能分布。對比分析發(fā)現(xiàn),數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好,從而驗證了數(shù)值模擬的可靠性。雙向進出水流道泵裝置的揚程和效率普遍低于泵段中的揚程與效率,并且雙向進出水流道內(nèi)也易出現(xiàn)漩渦,流動更不穩(wěn)定,其內(nèi)部湍動能也更大,同時雙向流道泵裝置內(nèi)的脈動幅值普遍更高,但雙向進出水流道對葉輪進口的壓力脈動影響不大,而對導(dǎo)葉出口的脈動影響較大。2.雙向進水流道由于其形狀特征容易在葉輪進口端產(chǎn)生不穩(wěn)定流態(tài),導(dǎo)致葉輪振動,而葉輪振動反過來又會影響泵裝置的內(nèi)部流動。為了研究葉輪與流場耦合作用對雙向立式軸流泵裝置內(nèi)部流場的變化情況,本文首次采用雙向同步求解的方法研究雙向立式軸流泵裝置。提出在考慮雙向進出水流道的情況下,分別對比分析了流固耦合計算前后,軸流泵裝置內(nèi)部流場分布和葉輪表面壓力分布。研究發(fā)現(xiàn),考慮流固耦合作用后,進水流道出口處壓力波動強度增大,渦量梯度增大;葉輪工作面速度增大,導(dǎo)葉附近的漩渦位置發(fā)生變化;葉輪工作面與背面壓力差減小,葉輪做功效率下降,從而導(dǎo)致軸流泵裝置揚程下降。3.在考慮葉輪與流場的耦合作用,對比分析了流固耦合前后雙向立式軸流泵裝置內(nèi)外特性的變化情況后,在上述模擬計算的基礎(chǔ)上,進一步分析了葉輪表面的應(yīng)力及變形分布,研究其振動特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),軸向力隨葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生周期性變化,葉輪最大等效應(yīng)力主要分布在靠近輪轂處,最大變形量主要分布在葉輪前緣與輪緣夾角處。當流量增大時,葉輪最大等效應(yīng)力與最大變形量逐漸減小。在此基礎(chǔ)上,研究了位于葉輪前緣與葉輪后緣上的4個監(jiān)測點所受等效應(yīng)力的情況,通過對比發(fā)現(xiàn),葉輪前緣所受等效應(yīng)力遠大于葉輪后緣。4.本文仍以上述雙向立式軸流泵裝置為研究對象,首次將出水流道流場和泵軸進行聯(lián)合響應(yīng)求解,提出運用同上文中葉輪與流場響應(yīng)計算時的雙向耦合數(shù)值模擬方法,對比分析了流固耦合作用前后出水流道中靜壓和速度分布以及導(dǎo)葉出口面上的壓力脈動情況和湍動能分布,并將外特性的計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),與不考慮流固耦合相比,出水流道中靜壓相對較大的區(qū)域面積增大,而流速分布變化較小;導(dǎo)葉出口面上壓力波動的相位發(fā)生改變,脈動強度也增大;小流量下,耦合作用使得導(dǎo)葉出口的湍動能增大,而設(shè)計流量和大流量下,湍動能分布變化較小。此外,外特性的吻合性也說明了模擬計算的可靠性�？傮w來看,考慮流固耦合后流場分布發(fā)生了變化,因此對于雙向立式軸流泵裝置,流固耦合計算更能反映其實際情況。
【關(guān)鍵詞】：軸流泵 泵裝置 雙向流道 泵軸 非定常流場 流固耦合 湍動能 壓力脈動 應(yīng)力應(yīng)變
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH312
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-20
• 1.1 研究背景及意義12-13
• 1.2 泵裝置的研究現(xiàn)狀13-16
• 1.3 流固耦合理論及研究現(xiàn)狀16-19
• 1.3.1 流固耦合簡介16-17
• 1.3.2 流固耦合在泵及泵裝置上的研究現(xiàn)狀17-19
• 1.4 本文研究的主要內(nèi)容19-20
• 第二章 三維湍流數(shù)值模擬及流固耦合計算方法20-29
• 2.1 湍流的數(shù)值模擬方法20-21
• 2.2 流動控制方程21-22
• 2.3 流體湍流模型22-24
• 2.4 網(wǎng)格劃分類型24-26
• 2.5 交界面銜接方法26
• 2.6 流固耦合計算方法26-28
• 2.6.1 結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論26-27
• 2.6.2 流固耦合求解方法27-28
• 2.7 本章小結(jié)28-29
• 第三章 軸流泵段及泵裝置內(nèi)流場三維數(shù)值模擬29-43
• 3.1 物理模型29-31
• 3.1.1 幾何參數(shù)29
• 3.1.2 三維建模及網(wǎng)格劃分29-31
• 3.2 數(shù)值模擬計算31-34
• 3.2.1 湍流模型選擇31-32
• 3.2.2 計算參數(shù)的設(shè)置32
• 3.2.3 計算邊界條件32-33
• 3.2.4 計算交界面的設(shè)置33
• 3.2.5 監(jiān)測點的設(shè)置33-34
• 3.3 計算結(jié)果與分析34-42
• 3.3.1 外特性預(yù)測與試驗結(jié)果對比34-36
• 3.3.2 速度流線對比分析36-37
• 3.3.3 葉輪葉片壓力對比分析37-38
• 3.3.4 湍流動能分布對比分析38-40
• 3.3.5 壓力脈動特性對比40-42
• 3.4 本章小結(jié)42-43
• 第四章 雙向立式軸流泵裝置流固耦合分析43-67
• 4.1 泵裝置物理模型43-45
• 4.1.1 基本參數(shù)與造型43
• 4.1.2 網(wǎng)格劃分43-45
• 4.2 數(shù)值計算45-46
• 4.2.1 固體域設(shè)置45
• 4.2.2 流體域設(shè)置45
• 4.2.3 雙向流固耦合計算方法45-46
• 4.3 外特性與試驗分析46-47
• 4.4 內(nèi)流場分析47-54
• 4.4.1 靜壓分布和渦量分布47-48
• 4.4.2 葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)部流動48-50
• 4.4.3 葉片表面截線壓力分布50-54
• 4.5 受力分析54-60
• 4.5.1 葉輪軸向力54-55
• 4.5.2 葉輪等效應(yīng)力及變形分布圖55-57
• 4.5.3 等效應(yīng)力時域圖分析57-60
• 4.6 泵軸流固耦合計算60-65
• 4.6.1 物理模型及計算方法60-61
• 4.6.2 外特性對比61-62
• 4.6.3 出水流道內(nèi)流場對比分析62-63
• 4.6.4 壓力脈動對比分析63-64
• 4.6.5 湍流動能對比分析64-65
• 4.7 本章小結(jié)65-67
• 第五章 總結(jié)和展望67-70
• 5.1 工作總結(jié)67-69
• 5.2 研究展望69-70
• 參考文獻70-75
• 致謝75-76
• 攻讀碩士學(xué)位期間參加的科研項目和發(fā)表的學(xué)術(shù)論文76-77
• 1.發(fā)表的學(xué)術(shù)論文76
• 2. 參加的科研工作76-77
• 3.申請的專利77

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本文編號：442995