山东大学
ShanDong University
离心泵水力模型的设计与数值模拟验证
姓名： 刘自亮 学号： 201300160104 学院： 机械工程学院 专业： 过程装备与控制工程 日期： 2016,5,15
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过程流体机械 离心泵
目录
一、离心泵水力模型的设计 ........................................................................................................... 3
1、泵的主要设计参数和结构方案的确定 ............................................................................. 3
1-1设计参数和要求 ........................................................................................................ 3 1-2确定泵的总体结构形式和泵的进出口直径 ............................................................. 3 1-3泵转速的确定 ............................................................................................................ 3 1-4计算比转数ns，确定水力方案 ................................................................................ 4 1-5估算泵的效率 ............................................................................................................ 4 1-6轴功率和原动机功率 ................................................................................................ 4 1-7轴径和轮毂直径的确定............................................................................................. 5 2、相似设计法 ......................................................................................................................... 5
2-1相似设计法的导出 .................................................................................................... 5 2-2相似设计法的步骤 .................................................................................................... 6 2-3相似设计法应注意的问题......................................................................................... 6 3、速度系数设计法 ................................................................................................................. 6
3-1叶轮进口直径D0的确定 ........................................................................................... 7 3-2叶轮出口直径D2的初步计算 .................................................................................. 7 3-3叶轮出口宽度b2的计算和选择 .............................................................................. 7 3-4叶片数的计算和选择 ................................................................................................ 8 3-5介绍确定叶轮尺寸的其它速度系数 ......................................................................... 8 3-6叶轮外径Ｄ２或叶片出口角β２的精确计算 ............................................................ 9 3-7叶片进口安放角的确定........................................................................................... 10
二、离心泵的数值模拟验证 ......................................................................................................... 11
1、CFD数值模拟的基本理论 ............................................................................................... 11
1-1计算流体力学简介 .................................................................................................. 12 1-2计算流体力学控制方程........................................................................................... 13 1-3湍流模型 .................................................................................................................. 15 1-4控制方程的求解方法 .............................................................................................. 17 2、离心泵建模及数值模拟方案 ........................................................................................... 19
2-1离心泵模型参数 ...................................................................................................... 19 2-2流道模型建模 .......................................................................................................... 22 2-3网格划分 .................................................................................................................. 24 2-4旋转叶轮和静止蜗壳的藕合 ................................................................................... 26 2-5边界条件 .................................................................................................................. 28 2-6数值模拟方案的确定 .............................................................................................. 29 3、离心泵内部流场计算结果分析 ....................................................................................... 31
3-1设计工况下离心泵整机流场分析 ........................................................................... 32 3-2叶轮内部流动分析 .................................................................................................. 33 3-3蜗壳内部流动分析 .................................................................................................. 39 3-4不同叶片数下的离心泵整机流场分析 ................................................................... 42
三、结论......................................................................................................................................... 47 参考文献......................................................................................................................................... 48
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过程流体机械 离心泵
一、离心泵水力模型的设计
1、泵的主要设计参数和结构方案的确定
1-1设计参数和要求
流量； 扬程；
转速（或由设计者确定）；
装置汽蚀余量（或给出装置的使用条件）； 效率（要求保证的效率）；
介质的性质（温度、重度、含杂质情况、腐蚀性等）； 对特性曲线的要求（平坦、陡降、是否允许有驼峰等）。
1-2确定泵的总体结构形式和泵的进出口直径
泵进口直径选取原则：
Ds? 泵出口直径选取原则：
4Q?vs
Dd?(1~0.7)Ds
1-3泵转速的确定
确定泵转速应考虑下面几个因素： 泵转速越高，泵的体积越小；
确定转速应考虑原动机的种类和传动装置； 提高转速受汽蚀条件的限制。 可根据汽蚀比转数选取
5.62nQC?3/4NPSHr
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过程流体机械 离心泵
1-4计算比转数ns，确定水力方案
ns
3.65nQ?H3/4
在确定比转数时应考虑下列因素：
ns=120~210的区间，泵的效率最高，ns〈60的效率显著下降 ； 可以采用单吸或双吸的结构形式来改变比转数的大小； 泵特性曲线的形状与比转数的大小有关。
1-5估算泵的效率
水力效率
容积效率
Q?h?1?0.0835lgn3
该容积效率为只考虑叶轮前密封环的泄漏，对于有平衡孔、级间泄漏和平衡盘泄漏的情况，容积效率还要相应降低
机械效率
1?v??2/31?0.68ns?m?1?0.07 泵的总效率
1ns7/6()100
???h?v?m
1-6轴功率和原动机功率
轴功率
g?QHN?102?4
过程流体机械 离心泵
原动机功率
Nc?1.2N
1-7轴径和轮毂直径的确定
泵轴直径的确定应按强度、刚度和临界转速等情况确定。由于扭矩是泵主要的载荷，开始设计时首先按扭矩来确定泵轴的最小直径，最小直径一般位于联轴节处。
d?3
3Mn0.2[?]
NcMn?9.55?10nNc?KN
根据轴各段的结构工艺要求，确定叶轮处的轴径dB和轮毂直径dh。 一般
dh?(1.2~1.4)dB2、相似设计法
2-1相似设计法的导出
如果两台泵相似，比转速必然相等，在相似工况下，两台泵的流量、扬程和功率应满足公式：
Qp
QmHpm
两台相似泵的尺寸比例可以从上式求得：
HDP3np?()DMnm DP2np2?()()DMnm
?Q?3nmQpnpQm?H
在实际计算时，λQ和λH往往并不相等，在两者差值不大时，一般取较大的值。
nm?npHpHm
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