大中型泵站在水資源的時空調(diào)度以及防洪排澇等方面均扮演著重要角色,其中軸流泵因流量大、揚(yáng)程低、比轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)成為泵站系統(tǒng)中最常見的工程設(shè)備。然而,機(jī)組運(yùn)行難免對流域內(nèi)水生生物的生存產(chǎn)生威脅,尤其是過機(jī)魚類的高死亡率現(xiàn)象。為了降低魚類在通過泵站系統(tǒng)與過流部件時的撞擊概率與死亡率,本文基于CFDDEM耦合方法,利用球形顆粒捏合魚體外輪廓三維結(jié)構(gòu),模擬魚類在泵站軸流泵中的運(yùn)動情況,結(jié)合葉片撞擊數(shù)學(xué)模型,研究魚類通過泵站系統(tǒng)與葉輪的撞擊概率。通過分析魚類在流場內(nèi)運(yùn)動過程中速度、表面壓力以及剪切速度的變化,研究魚類過機(jī)損傷度和死亡率,從而為進(jìn)一步優(yōu)化葉片設(shè)計提供一定的理論支撐。本文開展的主要研究工作以及取得的主要研究成果如下:（1）通過大量文獻(xiàn)閱讀,分析國內(nèi)外專家學(xué)者對葉片撞擊數(shù)學(xué)模型以及魚類損傷機(jī)理的理論成果,針對目前研究魚類在流場中實(shí)際運(yùn)動特性較少的現(xiàn)狀,采用CFD-DEM耦合方法模擬魚類在軸流泵流場中的運(yùn)動規(guī)律以及魚類表面受力、受壓情況。（2）針對魚類模型占流場總體積分?jǐn)?shù)不足10%且顆粒粒徑較大等特點(diǎn),選取歐拉-拉格朗日法模擬魚類在流場中的運(yùn)動特性。在魚類模型運(yùn)動計算中除了考慮重力、浮力、曳... 

【文章來源】：江蘇大學(xué)江蘇省

【文章頁數(shù)】：72 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

顆粒

基于CFD-DEM耦合方法的軸流泵魚類損傷機(jī)理研究14第三章軸流泵的水力性能及撞擊概率驗證目前而言，CFD-DEM方法主要用于研究顆粒的損傷與磨損、固液流分析以及機(jī)械部件對顆粒碰撞的力學(xué)反應(yīng)等方向，本文首次利用該方法研究魚類通過軸流泵的撞擊概率以及存活性能。本文基于Fluent預(yù)測原型泵的水力性能，結(jié)合實(shí)驗數(shù)據(jù)對比，驗證數(shù)值計算的可靠性。此外，將CFD-DEM方法下統(tǒng)計的撞擊概率與葉片撞擊數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果對比，驗證模擬方法的可行性，為后文分析魚類通過魚類友好型泵優(yōu)化葉片的通過性能提供可靠依據(jù)。3.1軸流泵水力模型本章節(jié)所選用原型泵為課題組與荷蘭Bosman公司合作項目BVOP125-Ⅲ-140型軸流泵，三維模型及實(shí)物圖如圖3.1所示，具體設(shè)計參數(shù)見表3.1。圖3.1原型泵三維模型及實(shí)物圖Fig.3.13Dmodelandphysicalmapofprototypepump表3.1原型泵設(shè)計參數(shù)Tab.3.1Designparametersofprototypepump流量Q(m3/s)揚(yáng)程H(m)效率η(%)轉(zhuǎn)速n(r/min)葉輪直徑D(m)比轉(zhuǎn)速ns3.284.3580.52651.265803.2計算域及網(wǎng)格劃分模擬原型泵的水力性能，需要對全流域（進(jìn)口域、葉輪域、導(dǎo)葉域以及出口域）

江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文15進(jìn)行數(shù)值計算[52]。為了葉輪進(jìn)出口有足夠的距離確保流動充分發(fā)展,同時減小邊界條件對模擬結(jié)果的影響，進(jìn)口域長度設(shè)定為葉輪直徑的3倍，出口域長度設(shè)定為葉輪直徑的5倍。本章節(jié)計算網(wǎng)格均由ANSYS-ICEM生成，考慮到原型泵導(dǎo)葉域為空間螺旋式蝸殼，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且扭曲度較大，采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格簡化處理，其余計算域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。其中，葉輪域結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖3.2所示。圖3.2葉輪域網(wǎng)格示意圖Fig.3.2Impellerdomaingridschematic數(shù)值計算的精確性往往受限于體網(wǎng)格的尺寸以及網(wǎng)格數(shù)量。一般來說，網(wǎng)格尺寸越小或者網(wǎng)格數(shù)越多，數(shù)值計算的結(jié)果就越精密，誤差率也相應(yīng)降低[53]。然而在實(shí)際模擬過程中，一方面要考慮網(wǎng)格數(shù)過多帶來的巨大計算資源負(fù)擔(dān)；另一方面，EDEM軟件對計算域的網(wǎng)格數(shù)有一定的限制，超限的網(wǎng)格數(shù)會導(dǎo)致計算域網(wǎng)格無法讀入，無法有效完成模擬計算。繪制網(wǎng)格過程中，由于近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，葉輪旋轉(zhuǎn)域第一層網(wǎng)格高度y+值控制在60左右，而非旋轉(zhuǎn)域（進(jìn)口域、導(dǎo)葉域以及出口域）y+值則控制在45以內(nèi)。本小節(jié)在綜合考慮各因素對模擬計算的影響后，共采用了5套網(wǎng)格方案用于驗證計算用泵的網(wǎng)格無關(guān)性。通過在原型泵的進(jìn)出口設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)統(tǒng)計觀察泵揚(yáng)程變化規(guī)律，計算結(jié)果如圖3.3所示。由圖表可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到166萬后，原型泵揚(yáng)程模擬結(jié)果與設(shè)計工況下的揚(yáng)程相對誤差不超過1%，一方面，網(wǎng)格數(shù)繼續(xù)增加對計算結(jié)果精確度提高意義不大，且已滿足原型泵水力性能設(shè)計要求；另一方面，結(jié)合EDEM軟件對網(wǎng)格數(shù)的限制要求，過多的網(wǎng)格數(shù)會導(dǎo)致軟件無法與Fluent軟件進(jìn)行耦合計算。因此本章節(jié)采用166萬網(wǎng)格方案用于原型泵的數(shù)值模擬計算。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
[1]基于葉片撞擊模型的魚類友好型軸流泵設(shè)計理論與應(yīng)用[D]. 潘強(qiáng).江蘇大學(xué) 2019



本文編號：3405012