论文总字数：26601字

摘 要

随着经济的快速发展，消防泵的应用愈来愈广泛，我国的消防泵工作效率普遍较低，存在很大的节能空间。近年来，计算流体动力学愈发成熟且已经广泛地运用到泵的设计中，通过这些技术能较好地模拟出泵内部流体流动情况。为了解决泵工作效率低下的问题，本文将CFD和优化方法运用到泵的性能分析及结构优化中，根据模拟结果分析其内部非定常流动，在此基础上进行结构优化。

本文的主要研究内容和结果如下：

（1）运用Pro/E建立消防泵的实体模型，将所得的模型导入到ICEM软件中，进行网格划分。

（2）本文以清水为输送介质，以三维Navier-Stokes方程和Fluent提供的标准的k-ε湍流模型为基础，使用SIMPLE算法，对泵内非定常流动进行数值模拟。分别对流量为Q、0.8Q及1.2Q三个工况下的泵内流动进行研究。模拟得出泵内一个周期的瞬时压力分布、瞬时速度分布及瞬时出口压力，并对所得数据逐一进行分析。

（3）根据数值模拟结果，采用减小叶片出口角的方法对消防泵进行优化。确立优化方法后，建立新的消防泵三维模型并进行数值模拟。运用origin软件作出优化前后的外特性曲线，并对消防泵的性能进行分析，验证是否达到优化目的。

关键词：消防泵 数值模拟 非定常流动 优化设计

Unsteady performance analysis and structural optimization of

fire pump

Abstract

With the rapid development of the economy, the application of fire pumps is becoming wider. The efficiency of the fire pump is generally low in our country, thus there is plenty of energy-saving space. In recent years, computational fluid dynamics has become more mature and has been widely used in the design of the pump. The internal fluid flow in the pump can be simulated by these technologies. In order to solve the problem of low efficiency of pump operation, CFD and optimization method are applied to the performance analysis and structure optimization of the pump in this dissertation to optimize its structure according to the simulation results of its internal unsteady flow.

The main contents and results of this dissertation are as follows:

(1) A solid model of the fire pump was established by using Pro/E, then the model was imported into the ICEM software for meshing.

(2) Based on three-dimensional Navier-Stokes equations and the standard turbulence model provided by Fluent, the SIMPLE algorithm was used to simulate the k-ε unsteady flow in the pump. The unsteady flow under the conditions of Q, 0.8Q and 1.2Q was studied respectively. The instantaneous pressure distribution, instantaneous velocity distribution and instantaneous outlet pressure of one cycle in the pump were simulated and the obtained data were analyzed one by one.

(3) According to the numerical simulation results, the method of reducing the blade exit angle is used to optimize the fire pump. After selecting the method, the three-dimensional model of the fire pump was reconstructed and the numerical simulation was carried out. The external characteristic curves before and after optimizations were plotted by using the origin software. The performance of the fire pump was analyzed to verify whether to achieve the purpose of optimization.

Key words: Fire pump Numerical simulation Unsteady flow Optimized design

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 消防泵研究的背景及意义 1

1.2 消防泵的应用 1

1.2.1 工业工程中的应用 1

1.2.2 森林消防中的应用 2

1.3 消防泵的研究趋势 2

1.3.1 消防泵的定常性能分析 3

1.3.2 消防泵的非定常性能分析 3

1.3.3 消防泵的结构优化 3

1.4 本课题研究的内容 4

1.4.1 几何模型建立与数值计算 4

1.4.2 消防泵非定常性能的数值模拟 4

1.4.3 消防泵结构优化设计 4

1.5 采用的研究方法 4

1.5.1 建立几何模型 4

1.5.2 建立数学模型 4

1.5.3 数值模拟研究 5

1.5.4 结构优化 5

第二章 消防泵的实体建模及网格划分 6

2.1 消防泵的三维建模 6

2.1.1 叶轮的三维建模 6

2.1.2 蜗壳的三维建模 7

2.1.3 泵的整机三维模型的生成 9

2.2 消防泵三维模型的网格划分 9

2.2.1 网格类型 9

2.2.2 离心泵三维模型的网格划分 10

2.2.3 网格质量检查 10

2.3 边界条件设置 10

2.3.1 流场耦合模型 10

2.3.2 边界条件的设定 11

2.4 Fluent简介 11

2.5 数值模拟计算方法 12

2.5.1 控制方程 12

2.5.2 三维湍流模型 13

2.6 小结 13

第三章 消防泵非定常性能数值分析 14

3.1 数值模拟步骤 14

3.2 消防泵内部流动分析 16

3.2.1 Q=40m³/h的压力场及速度场分析 16

3.2.2 Q=50m³/h的压力场及速度场分析 19

3.2.3 Q=60m³/h的压力场及速度场分析 21

3.3 外特性预测 23

3.3.1 Q=40m³/h的外特性预测 23

3.3.2 Q=50m³/h的外特性预测 25

3.3.3 Q=60m³/h的外特性预测 27

3.4 小结 28

第四章 消防泵结构优化设计 29

4.1 泵优化后的内部流动分析 29

4.1.1 泵内总压分布 30

4.1.2泵内速度分布 31

4.2 泵优化前后外特性对比分析 31

4.2.1 瞬时扬程的分析 32

4.2.2 瞬时轴功率的分析 33

4.2.3效率的分析 34

4.3 小结 34

第五章 结论与展望 35

5.1 结论 35

5.2 展望 35

参考文献 37

致谢 39

第一章 绪论

1.1 消防泵研究的背景及意义

消防灭火问题一直以来都是城市消防的重中之重^[1]。传统消防泵吸水深度有限，一般当吸水深度接近9m时，消防泵就无法正常工作^[2]。大流量的消防泵更是如此，其效率在使用过程中普遍较低。因此，要想提高消防泵的工作效率，就可通过优化设计来实现^[3]。

泵内的介质流动很复杂，即使是在科学技术迅猛发展的今天，对于泵的内部流动的规律我们也无法完全掌握。过去研究人员设计泵时，需要反复的试验，根据试验反馈的数据对泵的结构进行修改，如此想要得到一个性能较好的泵，就需要花费大量的时间和成本。

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