江蘇大學(xué)博士學(xué)位論文：離心泵能量性能預(yù)測(cè)的研究

作者：談明高

摘 要：泵性能預(yù)測(cè)就是根據(jù)葉輪、蝸殼、導(dǎo)葉等過(guò)流部件的幾何參數(shù)、內(nèi)部流動(dòng)特征和制造精度等因素預(yù)測(cè)泵的性能。它具有提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期和降低開發(fā)成本等優(yōu)點(diǎn)，一直是泵領(lǐng)域十分重要的研究課題。但至今，泵性能預(yù)測(cè)的結(jié)果仍不夠，還不能滿足工程實(shí)際的需要。因此離心泵性能預(yù)測(cè)的研究有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

本文的主要工作和創(chuàng)造性成果有：
1. 較系統(tǒng)地總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外各類泵尤其是離心泵性能預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)作了展望，分析了流場(chǎng)計(jì)算法、水力損失法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等幾種主要的性能預(yù)測(cè)方法的缺點(diǎn)。

2. 對(duì)流場(chǎng)計(jì)算法中三維造型、網(wǎng)格劃分、邊界條件、湍流模型以及求解算法等做了比較詳細(xì)的數(shù)值比較，并給出了相應(yīng)的使用建議，主要包括葉輪與蝸殼間的間隙處理方式、模型網(wǎng)格數(shù)、自由出流與壓力出口、SIMPLE 算法與SIMPLEC 算法、標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型和RNG k-ε 模型以及粗糙度常數(shù)等。

3. 應(yīng)用流場(chǎng)計(jì)算法對(duì)離心泵的設(shè)計(jì)點(diǎn)及非設(shè)計(jì)點(diǎn)能量性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比和分析，詳細(xì)研究了流量變化對(duì)離心泵內(nèi)部流場(chǎng)的影響；系統(tǒng)地研究了粗糙度對(duì)離心泵性能預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，研究表明：（1）流場(chǎng)計(jì)算法在預(yù)測(cè)離心泵設(shè)計(jì)點(diǎn)及非設(shè)計(jì)點(diǎn)的性能時(shí)都具有比較高的預(yù)測(cè)精度；（2）考慮粗糙度后，性能預(yù)測(cè)精度有所提高，粗糙度對(duì)低比轉(zhuǎn)數(shù)泵的能量性能影響大，而對(duì)中高比轉(zhuǎn)數(shù)泵能量性能影響較小；（3）流量變化對(duì)泵內(nèi)流場(chǎng)影響明顯，偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)時(shí)在各葉片進(jìn)口背面出現(xiàn)了明顯的低壓區(qū)；大流量點(diǎn)時(shí)由于蝸殼喉部的限流作用，蝸殼擴(kuò)散段靜壓出現(xiàn)了明顯地下降；流量偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)時(shí)，葉片進(jìn)口速度方向發(fā)生了明顯的改變，致使水流對(duì)葉片具有較大的沖擊作用且大流量點(diǎn)和小流量點(diǎn)的液流沖擊方向相反，大流量點(diǎn)為負(fù)沖角，小流量點(diǎn)為正沖角。

4. 采用CFD 方法研究了葉片出口角、葉片出口寬度以及葉片數(shù)變化對(duì)離心泵設(shè)計(jì)點(diǎn)性能、內(nèi)部流場(chǎng)以及性能曲線形狀的影響并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。研究表明：（1）設(shè)計(jì)工況下，出口角變化對(duì)高比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵的性能影響較大；葉片出口寬度的變化對(duì)中等比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵的性能影響較為明顯；葉片數(shù)的變化對(duì)高比轉(zhuǎn)數(shù)和低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵性能影響顯著；（2）葉片出口角、葉片出口寬度以及葉片數(shù)的變化對(duì)離心泵葉輪內(nèi)的“射流-尾跡”現(xiàn)象都有明顯的影響，“尾跡”區(qū)的面積隨著出口角的增大、出口寬度的增加以及葉片數(shù)的減少而擴(kuò)大；葉片出口寬度以及葉片數(shù)的變化對(duì)葉片進(jìn)口背面的低壓區(qū)的面積大小也有較大的影響，隨著出口寬度的減小及葉片江蘇大學(xué)博士學(xué)位論文：離心泵能量性能預(yù)測(cè)的研究II數(shù)的增加這一面積不斷增大；葉片出口寬度還對(duì)蝸殼斷面內(nèi)的二次流有較大的影響，葉片出口寬度的增大有利于消除蝸殼斷面內(nèi)二次流的漩渦，但過(guò)大的葉片出口寬度會(huì)造成回流；（3）葉片出口角、葉片出口寬度以及葉片數(shù)變化對(duì)離心泵的揚(yáng)程曲線和效率曲線的形狀有較明顯的影響，但尚難發(fā)現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)律，尤其是葉片數(shù)的影響zui為復(fù)雜。

5. 分別應(yīng)用RANS 非定常模擬和大渦模擬對(duì)不同比轉(zhuǎn)數(shù)的3 臺(tái)離心泵進(jìn)行了非定常的性能預(yù)測(cè)并分析了不同時(shí)刻流場(chǎng)變化。研究表明：（1）不論是RANS 非定常模擬還是大渦模擬的非定常預(yù)測(cè)值都要高于定常模擬預(yù)測(cè)值，其中RANS 非穩(wěn)態(tài)預(yù)測(cè)值z(mì)ui大；（2）當(dāng)葉片正對(duì)蝸殼隔舌時(shí)，此時(shí)泵內(nèi)靜壓梯度zui大，在蝸殼隔舌附近及蝸殼出口的靜壓降到了zui小值，而這時(shí)在該葉片出口的工作面靜壓卻達(dá)到了zui大值。當(dāng)葉片遠(yuǎn)離蝸殼隔舌時(shí)，泵內(nèi)壓力波動(dòng)減小，靜壓場(chǎng)分布差異也有所減小。

6. 根據(jù)大量水力模型的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比較分析了斯托道拉、威斯奈、普夫萊德爾、斯基克欽等滑移系數(shù)公式，研究表明對(duì)于離心泵而言威斯奈公式（ns<65）和斯基克欽公式（ns>65）的計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確，并通過(guò)對(duì)這兩個(gè)公式的修正進(jìn)而達(dá)到修正理論揚(yáng)程的目的，同時(shí)用回歸分析分類給出了其修正系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

7. 分析了水力損失的計(jì)算公式，在深入研究各種水力損失類型的基礎(chǔ)上，對(duì)各水力損失的表達(dá)式進(jìn)行了修正，并結(jié)合實(shí)例用回歸分析方法給出了其修正系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。研究比較了各種圓盤摩擦損失的計(jì)算公式，認(rèn)為應(yīng)根據(jù)比轉(zhuǎn)數(shù)的范圍來(lái)選用圓盤摩擦損失的計(jì)算公式。根據(jù)大量實(shí)例修正了圓盤摩擦損失計(jì)算公式，并給出了其修正系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

8. 基于水力損失法在Windows 平臺(tái)上和AutoCAD 環(huán)境下，用VC++6.0 和ObjectARX 2000 作為開發(fā)語(yǔ)言，開發(fā)成功了工程實(shí)用的離心泵性能預(yù)測(cè)軟件。

9. 同時(shí)采用改進(jìn)算法的BP 網(wǎng)絡(luò)和RBF 網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)了離心泵的能量性能。研究表明BP 網(wǎng)絡(luò)和RBF 網(wǎng)絡(luò)都有比較高的預(yù)測(cè)精度且BP 網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度略高于RBF網(wǎng)絡(luò)，但BP 網(wǎng)絡(luò)比較費(fèi)時(shí)，所需時(shí)間約為RBF 網(wǎng)絡(luò)的2 倍。

10. 比較了流場(chǎng)計(jì)算法、水力損失法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的預(yù)測(cè)精度，比較結(jié)果表明流場(chǎng)計(jì)算法的預(yù)測(cè)精度zui高、水力損失法次之，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)水力損失法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在進(jìn)行性能預(yù)測(cè)時(shí)有一定的不穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：離心泵，性能預(yù)測(cè)，流場(chǎng)計(jì)算，水力損失，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)