石家庄离心风机

多级离心风机内部流场研究与结构优化

本课题以三级离心风机为研究对象，在吸收与总结前人的基础上，以工程流体力学常用软件 fluent6.3 为主要工具，对正常工况下的三级离心风机整机进行了内部流场计算，同时对变工况和各级叶轮叶片的匹配特性进行了分析，再利用泵与旋转机械专业设计软件 CFturbo 对风机进行了结构改进。论文主要研究内容如下：
（1）对三级离心风机在设计工况下的内部流场进行仿真计算，将仿真结果与实际数据对比，验证仿真方法的正确性，并对该内部流场进行分析，找出风机内部流动的特点及不合理之处。
（2）对三级离心风机在不同转速下的内部流场进行仿真，分析转速对风机内部流动和整体性能的影响。
（3）对不同管道出口大小时三级离心风机内部流场进行仿真，分析管道出口大小对风机内部流动及其特性的影响。
（4）计算改变各级叶轮叶片数目后的三级离心风机内部流场，分析该风机各级叶轮叶片数组合对风机内部流动和性能的影响，研究各级叶轮叶片数的匹配特性。 （5）利用旋转流体机械专业设计软件 CFturbo 分析三级离心风机对应的单级叶轮部分结构参数对风机性能的影响，并对该风机单级叶轮结构进行改进，提高单级叶轮的性能。
1.5 本章小结
本章介绍了课题的研究背景及意义、离心风机的研究现状，并介绍了本课题的主要研究工作。
第二章 数值计算基本方程与方法
数值计算的基本思想是把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，再通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值
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。其计算步骤一般包括：
（1）建立数学模型，即建立反映问题各个量之间关系的微分方程及相应的定解条件。流体的基本控制方程有质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程等。
（2）选择计算方法。选择原则是使计算高效率、计算结果具有高准确度。包括微分方程的离散化方法和求解方法、贴体坐标的建立、边界条件的处理等。
（3）程序设置并计算。包括网格划分、初始条件和边界条件的设置、控制参数的
设定等。
（4）结果分析。分析数值计算后的结果，验证方法的准确性等。 在湍动能方程和耗散率方程中，构成 k 方程源项的湍动能产生项kG ，及耗散率ε按下式计算：
 
2.3 基本方程的离散
     目前对基本控制方程的离散方法有三种：有限差分法、有限元法和有限体积法。
     1、有限差分法 www.sjzfengji.com     有限差分法的思想是将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域，然后将偏微分方程的导数用差商代替，推导出含有离散点上的有限个未知数的差分方程组。求差分方程组的解就是微分方程定解问题的数值近似解。该方法较多的用于求解双曲线和抛物线型问题。
     2、有限元法
     有限元法的思想是将一个连续的求解域任意分成适当形状的许多微小单元，并于各小单元分片构造插值函数，然后根据极值原理，将问题的控制方程转化为所有单元上的有限元方程，把总体的极值作为各单元极值之和，即将局部单元总体合成，形成嵌入式指定边界条件的代数方程组，求解该方程组就得到各节点上待求的函数值。该方法比较适用于几何及物理条件比较复杂的问题。
     3、有限体积法
     有限体积法的基本思想是将计算区域划分为网格，并使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积，将待解微分方程对每一个控制体积积分，从而得出一组离散方程。 过求解该离散方程就能得到网格节点上的参数。 本文选用的 CFD 软件为 Fluent6.3，该软件利用有限体积法对控制方程进行离散。
2.4 本章小结
     本章主要介绍了数值模拟计算所用到的基本控制方程、湍流模型及近壁面的处理方法，并对控制方程的离散方法进行了简单介绍。本章将介绍三级离心风机内部流动计算数学模型的建立过程和求解方法。
2.1 流体流动基本控制方程
流体流动的基本控制方程包括：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，对于处于湍流状态下的流体，还要遵守湍流方程。
2.1.1 质量守恒方程
任何流体的流动都要满足质量守恒定律，即单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。质量守恒定律用质量守恒方程描述，质量守恒方程又叫连续方程，