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喷水推进泵流场数值模拟分析

作　者: 舒春英
导　师: 谭智能
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 喷水推进泵反问题设计奇点分布法数值模拟汽蚀
分类号: TH311
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

喷水推进是一种特殊的推进方式,已经被广泛的应用在高性能舰船上。喷水推进泵作为喷水推进系统的主体,与普通水泵相比,在过流能力、泵效率、抗汽蚀性能及结构等方面都有更高的要求。因此,设计出大流量、高效率及抗汽蚀性能好的喷水推进泵是目前迫切需要解决的问题。本文基于两类相对流面理论,在给定泵轴面流道形状的基础上、以速度矩分布和叶片厚度分布为已知条件,应用奇点分布法对喷水推进泵进行准三维反问题优化设计,并通过Fortran语言编程来实现这一过程。完成对喷水推进泵的三维建模,并应用计算流体软件Fluent对其进行内部流场数值模拟计算。根据计算结果预估泵的扬程、效率、轴功率等外特性,并通过分析泵内部压力分布、速度矢量分布等掌握泵内流动情况,预测易汽蚀区域。本文在反问题设计过程中,对叶片的设计尝试了多种方案,包括改变沿轴面流线的速度矩分布方式、叶片进口液流角、叶片厚度最大位置等。通过数值模拟计算,分析这些方案的优劣,最终确定出满足设计要求的叶型。结果表明:(1)控制叶片的速度矩分布,能有效控制叶片的负荷分布,从而在一定程度上保证泵的抗汽蚀性能。(2)叶片进口液流角的不同对泵的性能影响很大,根据设计工况点,选择合适的液流角,在保证效率的同时可有好的抗汽蚀性。(3)通过计算可知,叶片最大厚度位置的不同对于泵的抗汽蚀性有一定的影响。将最大厚度位置适量后移,有利于提高泵的抗汽蚀性能。(4)叶片进口边位置的不同对泵的结构及性能也有很大的改变。不同方案的对比计算为泵的改进设计提供了有力的依据。最后,根据前面的计算分析确定泵的最终设计方案,提高转速,并通过流场计算预测泵的性能。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-26
  1.1 研究的目的和意义  11-12
  1.2 准三维与全三维设计方法研究现状  12-15
  1.3 汽蚀概述  15-20
    1.3.1 汽蚀现象的本质  15-16
    1.3.2 汽蚀的危害  16
    1.3.3 汽蚀基本方程  16-19
    1.3.4 提高汽蚀性能的主要方法  19-20
  1.4 汽蚀现象的国内外研究现状  20-25
    1.4.1 国外方面  21-22
    1.4.2 国内方面  22-25
  1.5 本文的主要研究内容  25-26
第2章喷水推进泵的准三维反问题设计  26-41
  2.1 两类流面基本理论  26
  2.2 奇点分布法  26-27
  2.3 准三维反问题设计方法数学模型  27-36
    2.3.1 控制方程  27-30
    2.3.2 准三维反问题设计步骤  30-36
      2.3.2.1 轴面流道网格的生成  30-31
      2.3.2.2 速度矩分布  31-33
      2.3.2.3 叶片加厚  33-36
  2.4 本文优化设计的思路  36-37
  2.5 程序的调试  37-38
  2.6 喷水推进泵的三维造型  38-39
  2.7 本章小结  39-41
第3章喷水推进泵湍流数值计算方法  41-56
  3.1 控制方程  42-43
    3.1.1 N-S 方程  42
    3.1.2 RANS 方程  42-43
  3.2 湍流模型  43-44
  3.3 离散与求解  44-50
    3.3.1 基本方程的离散  44-46
    3.3.2 算法  46-50
  3.4 模型的计算区域和网格划分  50-52
    3.4.1 计算区域  50-51
    3.4.2 喷水推进泵网格划分  51-52
  3.5 边界条件的处理  52-54
    3.5.1 进出口边界条件  53
    3.5.2 壁面边界条件  53
    3.5.3 混合平面  53-54
  3.6 本章小结  54-56
第4章数值计算结果及分析  56-96
  4.1 速度矩分布对泵性能的影响  56-67
    4.1.1 设计方案  56-58
    4.1.2 数值模拟及性能预测  58-67
  4.2 叶轮入口液流角对泵性能的影响  67-85
    4.2.1 设计方案  67-69
    4.2.2 数值模拟及性能预测  69-85
  4.3 叶片最大厚度位置对泵性能的影响  85-90
    4.3.1 设计方案  85-86
    4.3.2 数值模拟及性能预测  86-90
  4.4 叶片进口边位置对泵性能的影响  90-95
    4.4.1 设计方案  90-92
    4.4.2 数值模拟及性能预测  92-95
  4.5 本章小结  95-96
第5章提高转速的设计  96-105
  5.1 计算方案一  96-98
  5.2 计算方案二  98-104
    5.2.1 相似定律  98-100
    5.2.2 确定方案  100-101
    5.2.3 数值模拟及性能预测  101-104
  5.3 本章小结  104-105
结论  105-107
参考文献  107-113
致谢  113

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