摘 要

近年来，离心泵在日常生活中起到了不可或缺的作用，与此同时人们对性能的要求也更加苛刻，因此对于其设计与优化更具有挑战性。本文依托能动学院辅机实验室离心泵试验平台的泵为研究对象，采用数值模拟、模态仿真、流固耦合、声学仿真和试验验证等方法，对此模型流场及泵体结构开展了相关的研究。

首先利用Creo3.0软件对原型泵主要部件三维建模，并将各部分计算流体域和蜗壳结构体以STP格式文件导出。

其次在ANSYS ICEM CFD中对计算流体域划分网格，利用CFX进行内流场数值模拟，得到了此模型在不同工况下的流场特性和外特性，通过分析得到了相应的结论，并与试验结果相比较。

第三利用ANSYS Modal模块，对蜗壳结构体在自由状态和额定工况下进行模态分析，得到了此模型不同情况下的六阶阵型图和固有频率，在此基础上进行了相关的分析。

第四在 ANSYS WORKBENCH中，利用流场瞬态计算结果进行流固耦合计算，提取了此模型在一个瞬态周期中不同时刻的内流场特性，得到了在运转过程中的初步结论。

最后通过Virtual.Lab Acousitics对泵体结构开展初步的声学研究。通过观察不同频率所对应的声学特性，得到了此模型在不同情况下的声辐射分析结果。

关键词：离心泵 计算流体力学 振动 流固耦合 声辐射

Abstract

In recent years, centrifugal pumps have played an indispensable role in daily life, at the same time people's performance requirements are more demanding, so for its design and optimization more challenging. Based on the numerical simulation, modal simulation, fluid-solid interaction, acoustic simulation and experimental verification, this paper has carried on the correlation between the flow field and the pump structure of the model, which is based on the pump of the auxiliary laboratory centrifugal pump test platform.

Firstly, the main components of the pump are modeled by Creo3.0 software, and the calculated fluid domain and volute structure are exported in STP format.

Secondly, the computational fluid domain is meshed in the ANSYS ICEM CFD, and the internal flow field is simulated by CFX. The flow field characteristics and external characteristics of the model under different working conditions are obtained. The corresponding conclusions are obtained by analysis and comparison of test results.

Thirdly, the modal analysis of the volute structure in the free state and the rated working condition is carried out by using the ANSYS Modal module. The six-order pattern and the natural frequency of the model are obtained under different conditions.

Fourthly, in ANSYS WORKBENCH, The fluid - solid interaction calculation is performed using the transient calculation results of the flow field. The internal flow field characteristics of this model at different moments in a transient period are extracted and the preliminary conclusions are obtained.

Finally, the initial acoustic study of the pump structure was carried out by Virtual. Lab Acousitics software. By observing the acoustic properties corresponding to different frequencies, the results of acoustic radiation analysis of this model under different conditions are obtained.

Key words: Centrifugal pump, CFD, Vibration, FSI, Acoustic radiation

目录

摘要 3

Abstract 4

第一章绪论 7

1.1概述 7

1.2国内外研究现状 7

1.2.1内流场数值模拟 7

1.2.2流固耦合 7

1.2.3振动与噪声 8

1.3本文主要研究内容和技术路线 8

1.4主要创新点 9

1.5本章小结 9

第二章计算流体力学与声辐射理论基础 10

2.1全流场求解理论 10

2.1.1计算流体控制方程 10

2.1.2有限体积法基本思想 10

2.1.3有限体积法的求解方法 11

2.2流固耦合理论基础 11

2.2.1流固耦合求解依据 11

2.2.2耦合面数据传递及收敛判据 11

2.3声学方程及数值计算方法 12

2.3.1声学方程 12

2.3.2声学边界元方法 12

2.4本章小结 12

第三章计算流体域及泵体结构建模 13

3.1Creo3.0软件介绍 13

3.2计算流体域模型构建 13

3.2.1基本参数 13

3.2.2离心泵计算流体域Creo3.0建模 13

3.3蜗壳结构体模型构建 15

3.4本章小结 16

第四章离心泵CFD数值模拟及试验探究 17

4.1计算流体域的网格划分 17

4.1.1网格概述 17

4.1.2ANSYS ICEM CFD 软件介绍 17

4.1.3网格划分 17

4.2稳态全流场数值仿真计算 18

4.2.1基本设置 19

4.2.2离心泵定速特性曲线 19

4.2.3压力云图 23

4.2.4速度矢量图 24

4.3瞬态全流场数值仿真计算 25

4.3.1压力云图 25

4.3.2速度矢量图 26

4.4本章小结 27

第五章蜗壳结构体模态分析 29

5.1蜗壳结构体基本设置及网格划分 29

5.2模态仿真结果分析 29

5.2.1自由状态下模态分析 29

5.2.2预应力模态分析 30

5.3本章小结 32

第六章蜗壳结构体流固耦合分析 33

6.1蜗壳结构体网格划分 33

6.2载荷及约束设置 33

6.3不同时刻下蜗壳结构体应力和变形分布 34

6.3.1应力分布 34

6.3.2变形分布 35

6.4本章小结 36

第七章声辐射特性研究 37

7.1自由状态声辐射仿真 37

7.1.1声压级云图 37

7.1.2声功率级随频率变化曲线 38

7.2额定工况声辐射仿真 39

7.2.1声压级云图 39

7.2.2声功率级随频率变化曲线 40

7.4本章小结 41

第八章结论与展望 42

8.1结论 42

8.2展望 42

参考文献 44

致谢 46

第一章绪论

1.1概述

泵是一种在运行的过程中，工作部件的机械能传送给流体介质的一种流体机械^[1]。离心泵作为重要的水利输送机械，不仅广泛地应用于国民经济及各行各业中，如城市供水、农业水利、水力发电、石油、化工和各类机械系统中，同时也是舰船系统的重要组成部分。

离心泵在运行时，由于内部流体与泵体的相互作用，会产生泵体振动。振动将对其性能及使用期限有所影响。尽可能的减少离心泵的振动可以提高其运行时的稳定性和机械效率，从而减少能源的消耗，具有重要的环保意义和经济意义。同时，振动会产生噪声，噪声将会对人们的生活环境及质量有所影响，因此有效地减小离心泵运行时产生的噪声，进而提高环境质量是意义非凡的。

1.2国内外研究现状