基于内部流动的旋涡泵水力性能评估方法技术

本发明专利技术公开了一种基于内部流动的旋涡泵水力性能评估方法，包括以下步骤：

【技术实现步骤摘要】
基于内部流动的旋涡泵水力性能评估方法


[0001]本专利技术涉及旋涡泵
，尤其涉及一种基于内部流动的旋涡泵水力性能评估方法
。

技术介绍

[0002]旋涡泵作为一种基于叶轮与泵壳流道动量交换的叶片式泵，具有在极小流量下达到较高扬程的工作特性，其结构简单，主要包括：叶轮
、
泵室和泵盖，旋涡泵被广泛应用于化工
、
汽车
、
建筑
、
消防等行业中
。
然而，旋涡泵内部流动非常复杂，液体在旋涡泵内的流动呈三维螺旋状，伴随着强烈的动量交换和旋涡相互作用，能量损耗相对较大，故其效率较低，通常情况下效率不高于
50
％
。
由于旋涡泵工作原理的特殊性，旋涡泵缺乏针对性的理论设计方法，设计者在对旋涡泵进行优化设计的过程中，常常依赖于设计者自身的经验与试验样机测试，这无疑增加了旋涡泵设计及其优化的周期和难度，导致设计成本升高
。
现如今，计算流体力学
(Computational Fluid Dynamics
，
CFD)
技术发展成熟，为旋涡泵内部三位复杂流动求解提供了有力支撑
。
该方法被学者广泛采用，且已得到试验验证
。
[0003]旋涡泵内存在多种类型的旋涡，旋涡的发展和脱落具有极强的动态特性，且各旋涡相互作用，致使旋涡运动及其演变具有复杂的时空特性
。
这些因素导致旋涡泵工作原理的特殊性，也是旋涡泵区别于其他叶片泵的重要流动特征
。
因此，对旋涡泵水力性能的评估要充分考虑泵内部流动的影响
。
运用
CFD
开展旋涡泵水力性能和内部流动数值仿真，不仅可以提取旋涡泵的性能结果，还得到丰富的流场信息
。
但是，现有的旋涡泵的评估方式通常采用的指标为扬程和水力效率，这是对旋涡泵宏观性能的评估，缺少针对旋涡泵内部流动的评估，难以从内部流动角度揭示旋涡泵水力性能的差异
。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是：为了解决现有旋涡泵难以从内部流动角度评估其水力性能差异的技术问题，本专利技术提供一种基于内部流动的旋涡泵水力性能评估方法，能够从内部流动的角度对旋涡泵水力性能进行系统评估
。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于内部流动的旋涡泵水力性能评估方法，包括以下步骤：
[0006]S1、
以旋涡泵的叶轮
、
泵室以及泵盖构建所述旋涡泵的三维模型并进行流域抽取，并将所述旋涡泵的流域模型切分为：进口泵壳流道
、
叶轮流域
、
出口泵壳流道
、
进口轴向间隙
、
出口轴向间隙以及径向间隙，针对每个流域划分网格，并开展所述旋涡泵全流域
CFD
数值仿真计算；
[0007]S2、
提取所述旋涡泵特征位置的流场数据，从而计算所述旋涡泵的扬程系数
NH
＊
和水力效率
η
；
[0008]S3、
从所述旋涡泵内部流场中提取所述叶轮
、
所述进口泵壳流道或所述出口泵壳流道任意一个在圆周方向上各监测点的压力数值
p
，并经过处理后绘制压力系数
p
＊的增长
曲线，计算曲线在线性加速区域内的斜率
sl
；
[0009]S4、
从所述旋涡泵内部流场中提取所述旋涡泵纵向截面的速度云图和流线图，寻找该截面上纵向旋涡的轴向位置
h
al
，并利用所述叶轮高度
h
ab
进行处理，得到纵向旋涡位置系数
l
v
＊
；
[0010]S5、
从所述旋涡泵内部流场中提取所述叶轮
、
所述进口泵壳流道或所述出口泵壳流道任意一个在轴向截面上的交换流动云图，并计算交换动量
p
ex
、
该截面上的动量
p
sf
，经过处理后得到动量交换系数
I
t
＊
；
[0011]S6、
从所述旋涡泵内部流场中提取熵产分布数据，并经过处理后得到耗散损失系数
Ndep
＊
；
[0012]S7、
从所述旋涡泵内部流场中提取所述叶轮
、
所述进口泵壳流道或所述出口泵壳流道任意一个的速度旋涡强度
ssv
，并经过处理后得到所述旋涡泵内的流动分离系数
Nssv
＊
。
由此，从旋涡泵内部流动机理出发，对旋涡泵三维数值仿真流场进行特征提取，从做功和流动损失两个角度系统评估旋涡泵的水力性能，充分体现了旋涡泵内部交换流动规律，弥补了现有旋涡泵水力性能评估方法中忽略内部流动的不足，同时，建立了“旋涡泵模型－内部流动－水力性能”之间的映射关系与分析模型，将旋涡泵的内部流动和外部特性联系起来，实现了对旋涡泵水力性能的评估
。
[0013]进一步地，在步骤
S2
中，获取所述旋涡泵进口处的压力
p
out
、
出口处的压力
p
in
、
流体的密度
ρ
、
转速
n、
流体的流量
Q、
扭矩
M
，所述叶轮的外径
D
out
、
所述叶轮的内径
D
in
；
[0014]所述旋涡泵的扬程
[0015][0016]所述叶轮的中径
[0017][0018]所述叶片中径处的流体速度
[0019][0020]所述旋涡泵的扬程系数
[0021][0022]所述旋涡泵的轴功率
[0023][0024]所述旋涡泵的水力效率
[0025][0026]其中：
g
表示重力加速度
、
其单位为
m/s2，压力
p
out
、
压力
p
in
的单位均为
Pa
，密度
ρ
的单位为
kg/m3，转速
n
的单位为
rpm
，流量
Q
的单位为
m3/s
，扭矩
M
的单位为
Nm
，
u
m
的单位为
m/s。
由此，通过扬程系数
NH
＊
和水力效率
η
能够从宏观角度对旋涡泵的水力性能进行评价
。
[0027]进一步地，在步骤...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于内部流动的旋涡泵水力性能评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
以旋涡泵
(1)
的叶轮
(101)、
泵室
(102)
以及泵盖
(103)
构建所述旋涡泵
(1)
的三维模型并进行流域抽取，并将所述旋涡泵
(1)
的流域模型切分为：进口泵壳流道
(104)、
叶轮流域
(105)、
出口泵壳流道
(106)、
进口轴向间隙
(107)、
出口轴向间隙
(108)
以及径向间隙
(109)
，针对每个流域划分网格，并开展所述旋涡泵
(1)
全流域
CFD
数值仿真计算；
S2、
提取所述旋涡泵
(1)
特征位置的流场数据，从而计算所述旋涡泵
(1)
的扬程系数
NH
＊
和水力效率
η
；
S3、
从所述旋涡泵
(1)
内部流场中提取所述叶轮
(101)、
所述进口泵壳流道
(104)
或所述出口泵壳流道
(106)
任意一个在圆周方向上各监测点的压力数值
p
，并经过处理后绘制压力系数
p
＊的增长曲线，计算曲线在线性加速区域内的斜率
sl
；
S4、
从所述旋涡泵
(1)
内部流场中提取所述旋涡泵
(1)
纵向截面的速度云图和流线图，寻找该截面上纵向旋涡的轴向位置
h
al
，并利用所述叶轮
(101)
高度
h
ab
进行处理，得到纵向旋涡位置系数
l
v
＊
；
S5、
从所述旋涡泵
(1)
内部流场中提取所述叶轮
(101)、
所述进口泵壳流道
(104)
或所述出口泵壳流道
(106)
任意一个在轴向截面上的交换流动云图，并计算交换动量
p
ex
、
该截面上的动量
p
sf
，经过处理后得到动量交换系数
I
t
＊
；
S6、
从所述旋涡泵
(1)
内部流场中提取熵产分布数据，并经过处理后得到耗散损失系数
Ndep
＊
；
S7、
从所述旋涡泵
(1)
内部流场中提取所述叶轮
(101)、
所述进口泵壳流道
(104)
或所述出口泵壳流道
(106)
任意一个的速度旋涡强度
ssv
，并经过处理后得到所述旋涡泵
(1)
内的流动分离系数
Nssv
＊
。2.
根据权利要求1所述的基于内部流动的旋涡泵水力性能评估方法，其特征在于，在步骤
S2
中，获取所述旋涡泵
(1)
进口处的压力
p
out
、
出口处的压力
p
in
、
流体的密度
ρ
、
转速
n、
流体的流量
Q、
扭矩
M
，所述叶轮
(101)
的外径
D
out
、
所述叶轮
(101)
的内径
D
in
；所述旋涡泵
(1)
的扬程所述叶轮
(101)
的中径所述叶轮
(101)
中径处的流体速度所述旋涡泵
(1)
的扬程系数所述旋涡泵
(1)
的轴功率
所述旋涡泵
(1)
的水力效率其中：
g
表示重力加速度
、
其单位为
m/s2，压力
p
out
、
压力
p
in
的单位均为
Pa
，密度
ρ
的单位为
kg/m3，转速
n
的单位为
rpm
，流量
Q
的单位为
m3/s
，扭矩
M
的单位为
Nm
，
u
m
的单位为
m/s。3.
根据权利要求2所述的基于内部流...

【专利技术属性】
技术研发人员：李倩倩，汤德利，陆怡，别锋锋，武鹏，赵国寿，朱晓渠，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：