新型深井離心泵設(shè)計(jì)方法與試驗(yàn)研究.pdf

1、深井離心泵是抽取地下水的主要設(shè)備，在農(nóng)田灌溉、地?zé)崂?、石油開采等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著全球局部干旱逐漸加劇，地下水水位逐年下降，地?zé)崂玫刃履茉赐茝V力度日益加大，廣大用戶對(duì)深井離心泵的需求越來越大，對(duì)泵性能的要求也與日俱增。本人在國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心和美國(guó)圣路易斯華盛頓大學(xué)的聯(lián)合培養(yǎng)下，結(jié)合國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目“變量噴灑低能耗輕小型灌溉機(jī)組”和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“新型多級(jí)泵葉輪-導(dǎo)葉耦合流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與能量轉(zhuǎn)換機(jī)理研究”，基

2、于理論分析、試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬等方法對(duì)新型深井離心泵進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容和取得的創(chuàng)造性成果有:
　　1.對(duì)深井離心泵的定常數(shù)值模擬方法進(jìn)行了分析，分別比較了多級(jí)泵級(jí)數(shù)、湍流模型、網(wǎng)格數(shù)量等數(shù)值模擬中的關(guān)鍵設(shè)置參數(shù)對(duì)泵揚(yáng)程、效率、軸向力等預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，確立了較為適宜于多級(jí)深井離心泵的數(shù)值模擬方法。提出以兩級(jí)泵模型來預(yù)測(cè)整泵外特性的方法，既兼顧了較少的計(jì)算網(wǎng)格和計(jì)算時(shí)長(zhǎng)，也保證了預(yù)測(cè)結(jié)果具有較高的精度。

3、　　2.對(duì)文中所使用的泵性能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了不確定度分析，通過十次試驗(yàn)測(cè)量確定了泵揚(yáng)程、流量、功率等關(guān)鍵參數(shù)的隨機(jī)不確定度，結(jié)合測(cè)量?jī)x器固有的系統(tǒng)不確定度，進(jìn)一步計(jì)算出了泵效率等性能指標(biāo)的擴(kuò)展不確定度，結(jié)果證實(shí)該試驗(yàn)臺(tái)泵效率的測(cè)量不確定度為0.73％，達(dá)到國(guó)家1級(jí)精度和國(guó)際A級(jí)精度（草案）的要求。
　　3.提出了新型深井離心泵中斜切式葉輪的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)其中有待完善的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)合數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)量，分析了葉輪進(jìn)口邊向前

4、延伸和平移葉輪前蓋板對(duì)泵性能的影響規(guī)律。適當(dāng)向前延伸葉輪進(jìn)口邊位置可以改善葉輪出口流場(chǎng)分布，將葉輪前蓋板向進(jìn)口側(cè)前移可以增加葉片出口寬度，相應(yīng)地泵的單級(jí)揚(yáng)程和軸功率都逐漸增加，泵的最高效率點(diǎn)向大流量區(qū)域偏移，同時(shí)泵最高效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的效率值也呈現(xiàn)出相對(duì)減小的趨勢(shì)。
　　4.分析了斜切式葉輪后蓋板直徑對(duì)泵性能和軸向力的影響，采用黃金分割法對(duì)葉輪后蓋板直徑進(jìn)行單因素優(yōu)化，確定了五個(gè)不同方案的后蓋板直徑，分別進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)量。結(jié)果證

5、實(shí)斜切后蓋板可以有效地減少軸向力，但是過小的后蓋板直徑也會(huì)導(dǎo)致泵性能的急劇下降，并且隨著后蓋板直徑的減小，泵的最高效率點(diǎn)逐漸向小流量區(qū)域移動(dòng)。
　　5.結(jié)合數(shù)值模擬和理論推導(dǎo)分析了斜切式葉輪出口的流場(chǎng)分布規(guī)律，結(jié)果表明圓周分速度在葉輪出口沿軸向呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。針對(duì)這一流動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了進(jìn)口邊扭曲的三維曲面反導(dǎo)葉，并詳細(xì)闡述了其設(shè)計(jì)過程。將三維曲面反導(dǎo)葉與圓柱形反導(dǎo)葉的水力性能進(jìn)行了對(duì)比，證實(shí)三維曲面的變進(jìn)口安放角設(shè)計(jì)較為吻合液流

6、流動(dòng)規(guī)律，水力損失較小。同時(shí)，首次定義了導(dǎo)葉效率的概念來量化導(dǎo)葉的壓力轉(zhuǎn)換功能，并且分析了級(jí)間導(dǎo)葉效率的差異及其產(chǎn)生原因。
　　6.設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)特的PIV試驗(yàn)臺(tái)并首次實(shí)現(xiàn)了深井離心泵單級(jí)泵段內(nèi)部流場(chǎng)的PIV測(cè)量，對(duì)比了1425r/min和2850r/min兩個(gè)轉(zhuǎn)速下導(dǎo)葉內(nèi)部流場(chǎng)的差異。兩個(gè)轉(zhuǎn)速下的泵外特性試驗(yàn)結(jié)果與轉(zhuǎn)速的相似換算準(zhǔn)則相吻合，且導(dǎo)葉流道內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)在兩個(gè)轉(zhuǎn)速下相近。在額定工況附近，導(dǎo)葉內(nèi)部流動(dòng)較為穩(wěn)定;在小流量工況下

7、，導(dǎo)葉流道內(nèi)產(chǎn)生了流動(dòng)分離和旋渦，且旋渦的強(qiáng)度隨著流量的減小而逐漸加強(qiáng)。
　　7.分別采用SST k-ω國(guó)模型、低雷諾數(shù)SST k-ω模型和DES模型，結(jié)合滑移網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)PIV試驗(yàn)中的模型泵進(jìn)行非定常數(shù)值模擬?；谌饔蚪Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)合網(wǎng)格無關(guān)性分析，比較了網(wǎng)格數(shù)量對(duì)微觀流場(chǎng)參數(shù)的影響，并詳細(xì)地計(jì)算了由網(wǎng)格間距和網(wǎng)格數(shù)量引起的數(shù)值模擬離散不確定度。在額定流量和大流量工況，三個(gè)湍流模型預(yù)測(cè)的速度場(chǎng)與PIV試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，流線形態(tài)