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喷水推进轴流泵设计及紊流数值分析
| 论文题名： | 喷水推进轴流泵设计及紊流数值分析 |
| 关键词： | 喷水推进;轴流泵;面元法;数值模拟;紊流数值 |
| 摘要： | 喷水推进系统要做到高速化、小型化并有较高的推进效率,要求喷水推进泵的流量系数大、空化性能好、效率高,因此,喷水推进泵的设计难度高.国内喷水推进轴流泵的设计长期采用一维理论,设计质量严重依赖设计人员的经验和水力模型试验优选,设计周期长、成本高.采用面元法和CFD技术,开展轴流泵设计理论研究,可进一步提高轴流泵设计的质量和准确性,降低新型轴流泵水力模型的开发成本.通过理论计算和试验结果对照,分析了泵与泵装置(泵、进水管道和喷嘴的组合)水力性能之间的关系,发现泵装置性能高效区的扬程和泵性能高效区的扬程基本持平,因此提出采用等扬程、加大流量的方法来确定泵的设计参数.采用径向平衡方程分析轴流泵的轴面流动,在面元法分析的基础上实现叶轮叶片的造型.对设计叶轮进行的CFD分析和模型试验表明,设计点准确、效率高,能有效控制叶片的负荷分布,保证泵的空化性能.探讨了轴流泵内部流动三维紊流分析所适用的紊流模型、边界条件和网格剖分.研究了叶轮主要的几何参数对叶轮性能的影响,发现叶轮轮毂比和叶栅稠密度对扬程一流量曲线的斜率和高效区分布比较敏感.针对不同流量工况设计的后导叶,通过CFD分析和试验证明,能对泵的高效区分布产生明显的影响.考虑船舶工况的变化,初步研究了喷水推进轴流泵多工况、多目标和多约束的优化设计方法及其在iSIGHT软件平台上的实现过程.采用PIV测量了叶轮出口的轴面流场,采用五孔探针测量了叶轮出口三维流速沿径向的分布,对CFD结果和测试结果进行了比较分析. 采用等扬程、加大流量的方法确定喷水推进轴流泵的设计参数,能更好地保证喷水泵装置在高效区运行.采用面元法设计轴流泵的叶轮和导叶,能进一步保证设计工况的性能要求,更有效地控制泵的空化性能.网格的质量对计算效率结果的影响较为敏感,能造成3.4﹪效率偏差.采用RNGκ-ε紊流模型、壁面函数、stage界面模型,单通道计算就能较准确地预测轴流泵定常性能.设计点扬程误差小于5﹪,轴功率误差小于7﹪,效率误差小于3﹪.叶轮出口流场测试结果表明,三维紊流数据计算的流场在设计流量和大流量工况与实测流场比较接近；而在小流量工况差异较大,说明该计算模型不适用于分析存在脱流的流场.通过调整轮毂比、叶栅稠密度以及后导叶的配置,可较好地实现轴流泵性能的综合优化,适应船舶工况的变化. |
| 作者： | 汤方平 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 导师： | 王国强 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 上海交通大学 |
| 学位年度： | 2006 |
| 正文语种： | 中文 |
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