基于能量梯度理论的分流叶片进口直径确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于叶轮机械领域，涉及离心泵，具体涉及一种基于能量梯度理论的分流 叶片进口直径确定方法。
【背景技术】
[0002] 离心泵作为当代最主要的动力装置之一，广泛应用于国民经济的各部门以及航空 航天等尖端技术领域。提高离心泵的效率，可以充分利用有限能源，提高的经济效益。因 此，提高离心泵的研宄和设计水平，对国民经济发展、节约能源和环境保护有重要的影响。 叶轮机械主要是指采用液体作为介质的工作机，主要是离心泵。泵是叶轮机械的一种，也是 应用非常广泛的通用机械，可以说凡是有液体流动的领域，就有泵的工作。随着科学技术 的发展，泵的应用领域正在迅速扩大，据不同国家统计，泵的耗电量都约占各国总发电量的 1/5,可见泵的耗能巨大，因而提高泵技术水平对节约能源具有重要意义。
[0003] 分流叶片（又称短叶片或小叶片）设计方法采用了长、短叶片间隔布置，可以有效 的改善叶轮内流场分布，提高叶轮压比，提高运行的稳定性。合理添加分流叶片可以有效的 改善流道出口的射流-尾迹现象，扬程可以得到明显的提高，减小圆盘摩擦损失，达到提高 效率的目的。分流叶片的设计需要考虑到分流叶片进口直径D si、分流叶片偏置度以及分流 叶片偏转角等因素。Dsi直接关系到分流叶片的作用长度，太长会阻塞叶轮进口，达不到要 求流量范围，太短起不到改善叶轮出口射流-尾迹结构、提高离心泵效率等作用。因此分流 叶片进口直径D si的位置对离心泵运行的稳定性以及整体性能都有着重要的影响。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对现有研宄的不足，提供一种基于能量梯度理论的分流叶片进 口直径确定方法，以能量梯度函数K值的分布作为选择合适叶轮叶片数的依据，以叶轮K值 最小的分流叶片直径D si作为离心泵分流叶片的最优进口直径，优选后的离心泵叶轮部分 的流动不稳定情况有所改善，流动情况得到明显的提高。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0006] 步骤（1).模拟离心泵内的流动物理参数；
[0007] 利用CFD技术模拟离心泵内的流动，得到整个流场的物理参数；所述的物理参数 包括速度、压强、流线等参数，具体获取如下：
[0008] 针对任一工况条件下的离心泵，采用CFD技术对离心泵内的非定常流动进行数值 模拟，控制方程采用三维不可压缩的雷诺平均纳维-斯托克斯方程，并利用有限体积法对 控制方程在空间上进行离散；时间推进采用半隐式的格式；然后，在计算域上施加边界条 件，分别在给定的几何参数和不同的流动条件下，进行模拟计算，并获得流场物理参数，包 括速度、压强和流线分布。
[0009] 步骤（2).计算整个流场的能量梯度函数K ;
[0010] 根据能量梯度理论，离心泵内的能量梯度函数K的计算公式为：
【主权项】
1. 基于能量梯度理论的分流叶片进口直径确定方法；其特征在于包括如下步骤： 步骤（1).模拟离屯、累内的流动物理参数； 步骤（2).计算整个流场的能量梯度函数K; 步骤（3).改变分流叶片进口直径，计算获得整个流场的能量梯度函数K值； 步骤（4).对比不同分流叶片进口直径，确定最优分流叶片进口位置。
2. 如权利要求1所述的基于能量梯度理论的分流叶片进口直径确定方法；其特征在于 步骤（1)所述的模拟离屯、累内部流体流动物理参数具体如下： 2- 1.利用C抑技术模拟离屯、累内部流体流动，得到整个流场的物理参数； 所述的物理参数包括水流速度、压强分布、流线分布具体获取如下： 针对任一工况条件下的离屯、累，采用C抑技术对离屯、累内部流动进行=维数值模拟， 模拟过程中控制方程采用=维不可压缩的平均雷诺纳维-斯托克斯方程和连续性方程模 拟离屯、累内的流体流动，并利用有限体积法对控制方程在空间上进行离散；时间推进采用 半隐式的格式；然后，在计算域上施加边界条件，分别在给定的几何参数和不同的流动条件 下，进行模拟计算，并获得流场物理参数，包括水流速度、压强和流线分布。
3. 如权利要求1所述的基于能量梯度理论的分流叶片进口直径确定方法；其特征在于 步骤（2)所述的计算整个流场的能量梯度函数K具体如下： 3- 1.根据窦华书教授的能量梯度理论，推导出应用于离屯、累内部流动的能量梯度函数 公式； 根据能量梯度理论，离屯、累内的能量梯度函数K的计算公式为：
(1) 式（1)中怎=片+ ^)心+ V +>0为流体总压，H为流体的能量损失，U为速度大小，P为 流体静压，为端流粘度，P为流体密度；n为流体流动的法线方向，S为流体流动的流线 方向；K值是一个无因次的流场函数，表示的是法向能量梯度与流向能量损失的比值；当流 场中的扰动变化不大时，层流状态下，K值越大的位置，流动越容易发生失稳，越容易向端流 转换；端流状态下，K值越大的位置，端流强度越高。
4. 如权利要求1所述的基于能量梯度理论的分流叶片进口直径确定方法；其特征在 于；所述的对比不同分流叶片进口直径，确定最优分流叶片进口位置具体如下： 4- 1.根据能量梯度函数K值的分布，判断流动离屯、累叶轮部分流动的稳定性情况，判 断的标准是K值越大，流动越不稳定，K值较大的区域越大，流动的稳定性越差。
【专利摘要】本发明提出了一种基于能量梯度理论的分流叶片进口直径确定方法。本发明包括如下步骤：步骤(1).模拟离心泵内的流动物理参数；步骤(2).计算整个流场的能量梯度函数K；步骤(3).改变分流叶片进口直径，计算获得整个流场的能量梯度函数K值；步骤(4).对比不同分流叶片进口直径，确定最优分流叶片进口直径。本发明利用CFD技术和能量梯度理论，通过对比不同分流叶片进口直径下能量梯度函数K值的大小，来确定最优的分流叶片进口直径。得到的最优分流叶片进口直径的离心泵，可以减小部分工况条件下离心泵叶轮内的不稳定现象，进而提高离心泵的稳定性。
【IPC分类】F04D29-24, G06F17-50
【公开号】CN104598674
【申请号】CN201510005887
【发明人】窦华书, 郑路路, 陈小平, 蒋威, 马晓阳, 牛琳, 贲安庆
【申请人】浙江理工大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月6日