【摘要】：隨著不銹鋼板沖壓和焊接工藝的發(fā)展和成熟,采用沖焊工藝制造的不銹鋼沖壓焊接離心泵逐漸以節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保的沖焊生產(chǎn)方式取代耗能高、污染重的鑄造生產(chǎn)方式,發(fā)展成為符合低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的新型離心泵型式,并以低成本、高性能的優(yōu)勢(shì)成為諸多領(lǐng)域鑄造泵的換代產(chǎn)品。 制造工藝的變革與迅猛發(fā)展對(duì)離心泵水力設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn),突出表現(xiàn)在(1)現(xiàn)有設(shè)計(jì)資料不完全適用于新工藝；(2)現(xiàn)有設(shè)計(jì)理論未能充分發(fā)揮新工藝的優(yōu)勢(shì)；(3)市場(chǎng)多元化、個(gè)性化發(fā)展提出的新要求。針對(duì)這些問(wèn)題,本文通過(guò)對(duì)不銹鋼沖壓焊接離心泵能量轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行研究,提出了能夠?qū)崿F(xiàn)多重設(shè)計(jì)目標(biāo)的不銹鋼沖壓焊接離心泵水力設(shè)計(jì)方法。 本文研究遵循從內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)與機(jī)理中尋找規(guī)律,在流動(dòng)規(guī)律上探討能量轉(zhuǎn)換特性,以能量轉(zhuǎn)換特性為基礎(chǔ)摸索設(shè)計(jì)方法的思路,主要研究?jī)?nèi)容分為3個(gè)部分： 1.不銹鋼沖壓焊接離心泵內(nèi)部流動(dòng)診斷 首先,利用正則化螺旋度法提取流場(chǎng)內(nèi)流向渦結(jié)構(gòu),探討了不銹鋼沖壓焊接離心泵內(nèi)流體的流向運(yùn)動(dòng)特征。研究表明,進(jìn)口段內(nèi)存在渦核位置偏離中心軸線(xiàn)的誘導(dǎo)旋渦；葉輪內(nèi),在(0.6～1.4)Qd工況,流向渦主要是慢速旋轉(zhuǎn)的曲線(xiàn)渦,且聚集不充分,對(duì)離心泵性能影響較弱；蝸殼內(nèi),由一對(duì)逆向旋轉(zhuǎn)的對(duì)稱(chēng)渦占據(jù),在大流量工況,擴(kuò)散段內(nèi)存在顯著的二次渦并伴隨有旋渦破裂現(xiàn)象,引起能量損失增加。 然后,利用基于邊界渦量動(dòng)力學(xué)的三維流動(dòng)分離理論研究了葉輪內(nèi)的定常流動(dòng)分離狀況。針對(duì)葉輪內(nèi)部流動(dòng)主要以相對(duì)速度表示的特點(diǎn),推導(dǎo)出了關(guān)鍵物理量——壁面渦通量(BVF)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的表達(dá)式。研究發(fā)現(xiàn),離心力是除壓力梯度外另一個(gè)BVF的重要來(lái)源。在不銹鋼沖壓焊接離心泵葉輪的絕大部分區(qū)域內(nèi),大尺度流動(dòng)分離發(fā)生的幾率很低,流動(dòng)基本呈現(xiàn)出“規(guī)則”的狀態(tài)。 2.不銹鋼沖壓焊接離心泵能量轉(zhuǎn)換特性 基于數(shù)值模擬技術(shù),通過(guò)對(duì)葉輪各區(qū)域的軸功率分布、不同徑向位置功率變化及徑向斷面功率密度分布特點(diǎn)、耗散率、近壁區(qū)和流動(dòng)核心區(qū)水力損失等能量特征的分析,對(duì)葉輪內(nèi)流體能量傳遞與變化過(guò)程、葉輪對(duì)流體做功的時(shí)空分布特點(diǎn)、水力損失的成分構(gòu)成與分布規(guī)律等能量轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,葉輪出口喉部前的實(shí)際流道是能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵區(qū)域,流體的大部分能量在此區(qū)域獲得；葉輪內(nèi)水力損失的主要成分是壁面摩擦損失,集中分布在葉片吸力面?zhèn)群腿~輪出口附近。研究還發(fā)現(xiàn),在非定常狀態(tài)下單個(gè)葉輪流道能量瞬態(tài)輸入輸出總量不一致�；诹黧w力學(xué)基本方程推導(dǎo)出能夠在現(xiàn)有CFD數(shù)據(jù)集下求解的動(dòng)能變化率和動(dòng)能密度變化率的計(jì)算式,展現(xiàn)了流道內(nèi)能量變化的時(shí)空分布特點(diǎn),也解釋了能量轉(zhuǎn)換的非定常特性。 在定常和非定常狀態(tài)下,對(duì)蝸殼內(nèi)動(dòng)靜壓能相互轉(zhuǎn)化的空間分布與強(qiáng)度特點(diǎn)、能量沿流向變化規(guī)律等能量轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行了研究,并利用動(dòng)量矩守恒定理揭示了蝸殼內(nèi)靜壓周向分布不均的成因,認(rèn)為蝸殼內(nèi)壓力沿周向的不均勻分布是斷面大小不可變的蝸殼之固有屬性,同時(shí)也是導(dǎo)致不銹鋼沖壓焊接離心泵能量轉(zhuǎn)換呈現(xiàn)出不穩(wěn)定波動(dòng)特性的根本原因。 3.不銹鋼沖壓焊接離心泵水力設(shè)計(jì)方法 首先,將離心泵揚(yáng)程分為動(dòng)揚(yáng)程和靜揚(yáng)程分別計(jì)算,基于能量轉(zhuǎn)換關(guān)系,提出了有別于估算水力損失的離心泵揚(yáng)程理論計(jì)算方法。通過(guò)與7臺(tái)比轉(zhuǎn)數(shù)介于32～163的離心泵實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,證明理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好,計(jì)算方法可靠。 其次,針對(duì)目前葉輪設(shè)計(jì)中進(jìn)出口參數(shù)確定后軸向和周向流道繪型不唯一的情況,結(jié)合能量轉(zhuǎn)換特性的研究成果和不銹鋼沖壓焊接工藝的特點(diǎn),分別探討了葉片包角和葉輪軸面投影形狀對(duì)離心泵性能的影響。提出了葉輪出口喉部葉片平均安放角β12、等效葉輪出口寬度be2的概念以及β12、be2和出口滑移系數(shù)σ的計(jì)算方法并以此求解葉輪出口速度三角形。將新的計(jì)算方法與之前提出的離心泵揚(yáng)程理論計(jì)算方法相結(jié)合,正確預(yù)測(cè)了葉片包角和葉輪軸面投影形狀變化對(duì)離心泵外特性的影響。 然后,以獨(dú)立性為原則篩選出5個(gè)參數(shù),葉輪外徑D2、葉輪出口喉部平均葉片安放角β12、葉輪等效出口寬度be2、滑移系數(shù)σ、蝸殼喉部面積A1作為水力設(shè)計(jì)主要參數(shù),建立了主要參數(shù)與不銹鋼沖壓焊接離心泵外特性間的函數(shù)關(guān)系。將多重設(shè)計(jì)目標(biāo)分解量化為約束條件,并利用最優(yōu)化算法求解水力設(shè)計(jì)主要參數(shù)。基于5次Hermite插值函數(shù),建立了一種能夠滿(mǎn)足本文設(shè)計(jì)方法要求的葉片繪型方法,完成了實(shí)現(xiàn)多重設(shè)計(jì)目標(biāo)的不銹鋼沖壓焊接離心泵水力設(shè)計(jì)方法。 最后,應(yīng)用本文提出的水力設(shè)計(jì)方法對(duì)三個(gè)型號(hào)具有多重設(shè)計(jì)目標(biāo)要求的不銹鋼沖壓焊接離心泵進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過(guò)最終產(chǎn)品的性能實(shí)驗(yàn),證明了本文提出的設(shè)計(jì)方法達(dá)到了預(yù)期效果,并且性能良好。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類(lèi)號(hào)】：TH311

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