论文总字数：34362字

摘 要

汽蚀是离心泵运行过程中的常见现象。采用不同汽蚀模型对其进行数值计算，研究不同汽蚀模型计算所得汽蚀性能和内部流动规律，对提高数值模拟的精度和效率、降低数值模拟的误差具有重要意义。本文分别采用FLUENT计算软件中Schnerr-Sauer汽蚀模型和Zwart-Gerber-Belamri汽蚀模型对划分好的网格模型进行数值模拟研究，从而研究了不同汽蚀模型对泵内汽蚀性能的影响，研究结果可为汽蚀模拟时汽蚀模型的选择提供参考。主要研究内容和结论如下：

1）对两种不同汽蚀模型下对泵的扬程及有效汽蚀余量进行分析，并对泵汽蚀性能曲线进行比较，结果表明，Schnerr-Sauer汽蚀模型能较为准确、平稳的预测泵发生汽蚀前和发生汽蚀时的汽蚀性能规律，但对泵发生汽蚀后，不能有效预测相关规律，Zwart-Gerber-Belamri汽蚀模型能够成功预测泵发生汽蚀后扬程的显著下降。

2）使用CFD-POST的云图功能得到两种汽蚀模型在不同出口外压下的中截面压力分布特性图，通过比较和分析，结果表明，Zwart-Gerber-Belamri汽蚀模型能够较为准确地预测泵发生汽蚀后压力分布特性。

3）使用CFD-POST的云图功能得到两种汽蚀模型在不同出口外压下的中截面速度分布特性图，通过比较和分析，结果表明，Zwart-Gerber-Belamri汽蚀模型能够较为准确地预测泵发生汽蚀后的速度分布特性。

4）使用CFD-POST的云图功能得到两种汽蚀模型在不同出口外压下的叶片汽泡体积分数分布特性图，通过比较和分析，结果表明，Zwart-Gerber-Belamri汽蚀模型能够较为准确地预测泵发生汽蚀后的汽蚀程度。

关键词：离心泵 汽蚀性能 CFD 汽蚀模型

Abstract

Cavitation is a common phenomenon in the operation of centrifugal pumps. It is of great significance to improve the accuracy and efficiency of numerical simulation and to reduce the error of numerical simulation by using different cavitation models to calculate the cavitation performance and internal flow law of different cavitation models. In this dissertation, the Schnerr-Sauer cavitation model and Zwart-Gerber-Belamri cavitation model in the FLUENT software are used to study the numerical simulation of the mesh model, and the effect of different cavitation models on the cavitation performance in the pump is studied. The results can provide reference for the selection of the cavitation model. The main contents and conclusions are as follows:

1) The pump head and effective cavitation allowance predicted by two different cavitation models were analyzed, and the pump cavitation performance curves were compared with each other. The results show that, the Schnerr-Sauer cavitation model can be more accurate and stable to predict the cavitation performance law of the pump before and after cavitation. When the cavitation becomes serious, the correlation law can not be predicted effectively. The Zwart-Gerber-Belamri cavitation model can predict the significant drop of the head after the cavitation.

2) The pressure distribution characteristics predicted by two cavitation models under different outlet pressure were obtained by using the CFD-POST contour function. Through comparison and analysis, the results show that the pressure distribution characteristics of the Zwart-Gerber-Belamri cavitation model can be more accurate to predict the pressure distribution characteristics after the cavitation of the pump.

3) The velocity distribution characteristics on the middle section predicted by two cavitation models under different outlet pressure were obtained by using the CFD-POST contour function. Through comparison and analysis, the results show that the Zwart-Gerber-Belamri cavitation model can be more accurate to predict the velocity distribution characteristics after the cavitation of the pump.

4) The distribution characteristics of the bubble volume fraction of two cavitation models under different outlet pressure were obtained by using the CFD-POST contour function. By comparison and analysis, the results show that the Zwart-Gerber-Belamri cavitation model can be more accurate to predict the cavitation degree after cavitation.

KEYWORDS: Centrifugal pump；Cavitation performance；CFD；Cavitation model；

目 录

摘 要 II

Abstract III

第一章 绪论 1

1.1研究的背景与意义 1

1.2汽蚀的研究现状 1

1.2.1汽蚀研究的发展状况 2

1.2.2 离心泵内部汽蚀数值模拟研究及发展趋势 4

1.3研究内容 5

1.4 解决方法 6

第二章 离心泵的实体建模和网格划分 8

2.1 离心泵流道建模方法 8

2.2 泵的三维建模 8

2.2.1 叶轮的三维建模 8

2.2.2 蜗壳的三维建模 11

2.2.3 泵三维水体模型的生成 12

2.3 泵模型的网格划分 12

2.3.1 离心泵三维模型的网格划分 12

2.3.2 网格质量检查 13

2.4边界条件的确定 13

第三章 离心泵的汽蚀数值计算方法 15

3.1数值模拟基本理论 15

3.1.1 流体流动的基本方程 15

3.1.2 湍流模型 16

3.1.3 数值算法 18

3.2 气泡动力学模型 19

3.2.1 气泡运动方程 19

3.2.2 多相流模型 20

3.2.3 汽蚀模型 21

3.3 数值计算方法 22

3.3.1 求解方法 22

3.3.2 收敛判据 23

第四章 不同汽蚀模型对泵内汽蚀性能的影响研究 24

4.1 基于Schnerr-Sauer汽蚀模型汽蚀的性能分析 24

4.1.1 离心泵的外特性分析 24

4.1.2 离心泵汽蚀性能分析 27

4.2 基于Zwart-Gerber-Belamri汽蚀模型的汽蚀性能分析 35

4.2.1 离心泵的外特性分析 35

4.2.2 离心泵汽蚀性能分析 37

4.3 不同汽蚀模型对泵内汽蚀性能的影响 44

4.3.1 两种汽蚀模型模拟泵内发生汽蚀前后过程的异同 44

4.3.2 不同汽蚀模型对泵发生汽蚀前后的压力分布特性的比较分析 45

4.3.3不同汽蚀模型对泵发生汽蚀前后的速度分布特性的比较分析 46

4.3.4不同汽蚀模型对泵发生汽蚀前后的汽泡体积分数分布特性的比较分析 46

第五章 结论与展望 47

5.1 结论 47

5.2 展望 48

参考文献 49

致 谢 52

第一章 绪论

1.1研究的背景与意义

泵是输送液体或使液体增压的机械设备，泵的工作原理是将主动轴上的机械能和其他形式的能量传递给流体，从而给流体增加能量，提高其压力的机械装置^[1]。在生活与生产实践中，泵的用途范围广大，从而生产了各种各样的泵，种类繁多，如在水力水电工程，城市供排水、环境治理、运输、工业生产等领域，除此之外，泵的高科技应用领域有航空航天的燃料供给，在种类繁多的泵中，离心泵应用最为广泛，因为该泵适用性强，有多种流量、扬程供选择，构造简单，重量小，操作稳定，便于维修。泵的历史可以追溯于古代，由于水对人们的生产和生活有重要影响，因此人们就开发了各种各样的运水的设备，比如链泵，水车，桔槔等，但是这些都比较落后，效率不怎么高，真正对给水设备有里程碑式的开发为阿基米德发明的螺旋泵，它能将水提高到几米，其工作原理至今还被现代的螺杆泵所引用，可以说是影响深远，活塞泵是由古希腊时期的工匠科特西比乌丝发明的灭火泵发展而来的，当时的灭火泵具备了所有活塞泵的主要部件，但是活塞泵真正的普及和扩大发展是在出现了蒸汽机以后，因为蒸汽机的出现给活塞泵提供了源源不断并且强劲的动力，后来科学家发明了泵缸和蒸汽缸的对置结构，这成为了现代泵里程碑式的结构，目前这种结构还继续使用，后来由于人们用水量的剧增，活塞泵的低速和小流量不能满足人们的需求，所以高速的离心泵和回转泵出现了，它逐渐替代了活塞泵，因为它流量变化和扬程变化范围大，但是在小流量和高压的领域，往复泵仍然占据了主要地位，其中比较值得注意的是，随着工业形式的日益增多，对泵的种类也不断有要求，泵的发展朝着多样化方向继续发展。

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