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离心泵发展及研究离心泵是一种通用水力机械，其内部流动情况i直是泵设计人员十分关注的 问题，因为泵内流动的优劣直接影响泵的性能离心泵叶轮的内部流动是很复杂 均三维紊流流动，同时由于受旋转和叶片表面曲率的影响还拌有脱流、回流及二 次流的现象，是流体工程中较难的试验研究和数值计算问题z—早在20世纪50年代，一些专家学者就开始尝试使用数值计算方法来预测叶 轮中的流动情况但具有完备形态的内流数值模拟，一般认为始于吴仲华教授的 SI、S2两类相对流而理论后，叶轮机械内流数值模拟才得到了迅速发展迄今为 止，国内许多学者己经对离心泵叶轮内部三维紊流数值模拟进行了研究，也取得 了一些成果，但并不理想，也缺少实验验证近年来得益于计算机技术的高速发 展，计算流体力学CFD (Computational Fluid Dynamics)发展很快，许多商用CFD 软件应用非常广泛，在离心泵内部流场数值模拟上的应用也H见增多通过CFD 方法对离心泵叶轮内部流动进行数值模拟，了解液流在叶轮过流部件中的速度和 压力分布，从血进行叶片的选型、设计和性能预测已成为现代泵技术的重要方法 之一关键词：离心泵；叶轮；数值模拟第1章绪论 11」离心泵的发展和应用现状 21.2本文的工作 4第2章 离心泵原理及设计方法 52」离心泵及其工作原理 52.2离心泵设计方法概述 122.3离心泵的部件及工作参数 16第3章 离心泵内部流场的研究方法 203.1.紊流理论概述 203.2无粘性流动数值模拟 213.3分区考虑粘性效应的数值模拟 213.4三维粘性数流动值模拟 22第4章 H前的研究成果 264」H前的一些研究 264.2几种常见离心泵的应用 27第5章 研究的发展趋势 305」紊流模型的研究 305.2泵优化设计发展趋势 305.3发展网络生成技术 325.4矢量化及并行算法 33致谢 34参考文献 35第1章绪论在石油天然气的储存和运输工程中，广泛地使用各种管输流体机械，用来增 加流体的能量，克服流动阻力，达到沿管路输送的H的。

离心泵是一种应用范围 十分广泛的通用水力机械，它广泛的应用于给水排水及农业工程、工业工程、航 空航天和航海工程、能源工程、车辆工程等等而且随着现代科学技术的飞速发 展其应用范围正在迅速的扩大随着应用范围的扩大，工作环境也越来越复杂， 现代工程技术对泵的性能要求越来越高，传统的基于经验和模型试验相结合的设 计方法很难达到这样的设计要求传统设计方法的一•般过程为：设计一样机性能试 验检测一制造，这样样品试制和性能检测耍经过多次，整个设计也要经过多次重 复，显然，传统设计方法的缺点是设计周期长，设计成本高产品的开发周期长 和设计成本高成为离心泵新品开发难以逾越的瓶颈因此，需婆探索新的离心泵 设计方法在传统的泵的研制过程小，一个成功的水力设计模型往往要经过多次反复性能 试验模型修改才能完成，随着计算流体动力学在其它行业的成功运用，现在完全 有可能采用计算流体动力学(CFD)仿真分析方法来代替性能实验，在计算机上完成 初步三维造型设计Z后，就可进行流场的校核并预测泵性能，从而缩短产品开发 周期和降低成本此外，据全国流体机械及工程国际学术会议丄报告:泵是一种应用广泛、耗能 大的通用流体机械，我国每年各种泵的耗电量大约占全国总耗电量的20%,耗油量 大约占全国总耗油量的50%。

离心泵是各种泵中使用范围最广泛的，而一般的离心 泵的整机效率只有50 % — 60%,我国离心泵的运行效率平均比国外低10%-30%,节 电潜力约为300-400亿千瓦吋，因此提高泵的性能和效率，将心水泵效率由三部 分组成:机械效率、容积效率和水力效率，主要是水力效率比较低，要想提高水力 效率，那么离心泵内部流动的精确计算和性能预测是十分重要的因此急需开展 这方面的研究工作充分利用飞速发展的CFD技术来预测离心泵的性能，查明影 响离心泵性能的因素，研究种新的离心泵设计方法，进一步提高泵的效率，从 而从整体上提高它的性价比1.1离心泵的发展和应用现状1.1.1国内离心泵的发展我国的离心泵是由50年代仿苏产站开始的，当时仅生产K型单级单吸悬臂式 离心清水泵和凸型单级双吸两端支承式离心清水泵，主要用于农田排灌继而沈 阳水泵厂又生产一些仿苏石油化工用泵，如DJ . FDJ SJ , FSJ, DR ,FDR .SR , FSR 型油泵以及FL, BN型耐酸泵等60年代，我国自行设计研制成系列，生产国内 自己的离心泵;清水泵方面由K型改成B型，凸型改成SH型等;石油化工方面由 DJ、SJ、FSJ.型改为Y型，FL、BN型改为F型;锅炉给水泵方面还生产DH型等, 满足国内绝大部分装置的要求。

60年代末至70年代，国内生产油泵、耐腐蚀泵不 仅是沈阳水泵厂一家，生产Y型油泵扩大到上海水泵厂、长沙水泵厂、长春水泵 厂、石家庄水泵厂、北京水泵厂、宝鸡水泵厂等生产F型耐腐蚀泵的还有大连 耐酸泵厂、上海水泵厂、广州重型机器厂、广东佛山水泵厂、天津耐酸泵厂等 80年代，我国相继引进了国外许对证先进技术，既有石油化工用泵，也有清水泵, 也有锅炉给水泵，还有泵用机械密封通过引起技术的消化吸收，80年代末一 90 年代初，沈阳水泵厂利用国外先进技术改造了原Y型油泵为AY型油泵沈阳水 泵研究所组织重新设计了 IH型替代F型耐腐蚀泵，沈阳水泵厂又重新设计了 AF 型泵准备替代IH型化工泵，从可靠性和效率等方面均优于IH型泵通过移植、 设计、试制及生产了国产加氢进料泵、焦化进料泵及除焦、除鳞等大型泵，到FI 前为止，国内所生产的离心泵是型式多样、品种齐全、门类繁多，遍及到从民用 到国防，从农业到工业乃至核工业，从山区到平原，从水上到陆地，乃至天空， 无处不有总之，国内冃前可为10()万kW火力发电机组，500万t/a炼厂、2000万t/a输 油管线，30万血合成氨、20()万t/“加氢、100万t/a延迟焦化等装置提供国内的 泵类产品。

国内已生产的离心泵的最大流量大于20000mrj/h,最高扬程2800m,最 高输送温度400°C,最大驱动功率1 0000kW,最高吸入圧力达17,SMPa离心泵 是量大面广的产詁，进入市场经济后，国内几个大泵厂家都在积极开发自己的泵 系列，尽量去满足市场的需要沈阳水泵厂是国内最大的泵类专业厂，已被国务院批准为重大技术装备国产 化-基地，也被国家经贸委批准为机电产詁出口慕地企业和电站装备国产化基地企 业，属于综合性的泵厂家，代表了国内泵技术水平生产的泵类产品，不仅结构 型式多，而且品种规格也齐全国内不少高精技术泵产詁均由沈阳水泵厂制造， 如军工用泵、核电用泵、大型锅炉给水泵、焦化进料泵、除焦泵、高速切线泵等 为了满足需要，泵的结构型式、詁种和产量都在不断增加，质量和可靠性也都在 不断提高，泵厂数量和规模也在逐渐扩大，使用范围也H益广泛从泵的类型来 看，H前离心泵的基本结构己发展得比较完善，半前设计方面更多地趋向于设计 生产具体工况条件下的专用泵，即所谓工程专用泵总Z,当前国内离心泵的技术水平通过几十年的发展以及许可证技术引进， 从综合技术水平来看，单两级泵方面都具有国际先进水平，与国外同类型泵相比 无差距，有些地方还是国际一流水平，如可靠性、效率、通用化程度等。

血高温 高压多级泵在结构型式、可靠性方而已达到国际同类型水平，国内起步较晚，引 进技术，消化吸收，从89年、90年开始生产高技术水平泵，逐步开发完善，并替 代进口与国外差距在于管理落后，导致:(1)交货不及时;(2)铸件表而质量和内在质 量不够理想建国儿十年的发展，我国离心泵开始是生产仿苏产品，接着为自行设计一水 泵行业联合设计、生产国内自己的产品，后来到引进国外先进许可证技术，直到 各个厂家自行开发高水平的泵或者是合资这儿个阶段泵产品结构型式、系列、 品种规格均由少到多，性能及使用范围不断扩大，技术水平由低到高，各个厂家 发展各H具有特色的泵类产品:沈阳水泵厂主要有电站(包括核电站)和石化用泵两 大部分:大连耐酸泵厂只要以化工用泵为主;丄海水泵厂主要是电站和石化用泵两 大部分，部分是清水泵:北京水泵厂主耍是石化方面为主;石家庄水泵厂是以杂质泵 为主;长沙水泵厂主要以大型清水泵和石化泵为主;其他一•些厂各有特色总之，国 内的离心泵是逐年在发展，厂家在增加，品种数量也在增加，工业总产值也在增 长，下面列出中国泵业协会所编年鉴统计儿组数字足以证明这点，从泵行业协会 165个大小成员厂的初步统计:单级单吸清水泵91年265723台,94年是291943台, 96年是439708台;油泵91年8789台，94年是9580台;耐腐蚀泵91年16113台， 94年18534台。

93年工业总产值完成374200万元，比92年增长17.7%. 94年工 业总产值完成391540万元，比93年增长7.4%95年工业总产值411034万元，比 94年增长11.5%年工业总产值完成463829,比95年增长8.6%1.1.2发展现状(1) 我国泵产品图样的来源可联合设计、引进、自行开发等几种(2) 关键泵产品从部分进口到现在基木全部国化由于引进产品和KSG著名企业 的进入，我国泵的生产能力显著提高国民经济部门的主要关键用泵基木上都可 以生产3) 以CAD为主的新技术广泛应用(4) 无堵塞泵和低比转速泵技术取得进展1)我国自行总结出的无堵塞泵设计方法，基木达到实用程度，国内广泛使用设 计方法主要包括沿流道中线断而变化规律设计双流道叶轮方格网保角变换方法设 计螺旋离心式叶轮;根据叶轮外径、蜗室最大外径和喉部而积二要素设计旋流式叶 轮2)低比转速泵理论和设计的研究广泛血深入无过载设计方法得到推广应用， 采用长短叶片和短叶片偏置取得良好效果5) 轴流泵模型达到国外同类模型的先进水平2004年9月25日至2005年1月16 R,全国27个模型，参加了水利部南水 北调工程水泵模型天津同台测试。

本次试验领导有力、组织严密、监督公正、数 据准确模型比转速500〜7500基本复盖了轴流泵的使用范围;和原模型相比，效率 提高约2%流量提高约5%有7个模型的角度平均效率超过85%B达到国外同类模 型的先进水平国家南水北调等重耍工程的低扬程水泵，大部分将从这此模型中 选用1.2本文的工作离心泵叶轮的内部流动很复杂，一般说来是三维的紊流流动，由于受叶轮旋 转和表面曲率的影响还伴有脱流、冋流及二次流现象，是流体工程中较难的试验 研究和数值计算的问题之一早在20世纪50年代，一些专家学者就开始尝试采 用数值计算的方法来预测叶轮中的流动情况近年来得益于计算机技术的高速发 展，计算流体力学CFD ( Computational Fluid Dynamics )发展很快，在离心泵 内流数值模拟上的应用也日见繁多用CFD方法研究各种离心泵叶轮的内流特点, 从而进行叶轮的选型和设计已成为现代水泵技术的重要方法之一木文调研文献资料，结合计算机技术的发展，论述离心泵叶轮内部流动数值 模拟研究的历史和现状，对用于离心泵叶轮内流的数值模拟方法进行详细的介绍; 在总结前人所做工作的基础上，提出了离心泵内流计算的发展趋势。

第2章 离心泵原理及设计方法2.1离心泵及其工作原理2.1.1离心泵离心泵由于具有设计简单，安装、维护成本较低，操作弹性范围较大等特点, 而被广泛的应用于过程工业中这种类型泵的尺寸范I羽很广容量从儿加仑到100, 000加仑而且输送压头（压力）从几英尺到几千英尺基本上，一个离心泵有一个 叶轮,叶轮是由一-系列不同曲率的径向叶片和一个圆形外壳构成图1-1举例说 明其工作原理图1-1从吸入管路（1）进来的液体，沿着轴线方向在旋转叶轮（2）的作。