江苏大学博士学位论文：离心泵能量性能预测的研究

作者：谈明高

摘 要：泵性能预测就是根据叶轮、蜗壳、导叶等过流部件的几何参数、内部流动特征和制造精度等因素预测泵的性能。它具有提高产品设计质量、缩短产品研发周期和降低开发成本等优点，一直是泵领域十分重要的研究课题。但至今，泵性能预测的结果仍不够，还不能满足工程实际的需要。因此离心泵性能预测的研究有重要的学术价值和社会经济效益。

本文的主要工作和创造性成果有：
1. 较系统地总结了目前国内外各类泵尤其是离心泵性能预测研究现状并对其发展趋势作了展望，分析了流场计算法、水力损失法和神经网络法等几种主要的性能预测方法的缺点。

2. 对流场计算法中三维造型、网格划分、边界条件、湍流模型以及求解算法等做了比较详细的数值比较，并给出了相应的使用建议，主要包括叶轮与蜗壳间的间隙处理方式、模型网格数、自由出流与压力出口、SIMPLE 算法与SIMPLEC 算法、标准k-ε 模型和RNG k-ε 模型以及粗糙度常数等。

3. 应用流场计算法对离心泵的设计点及非设计点能量性能进行了预测并与实验结果进行了对比和分析，详细研究了流量变化对离心泵内部流场的影响；系统地研究了粗糙度对离心泵性能预测结果的影响，研究表明：（1）流场计算法在预测离心泵设计点及非设计点的性能时都具有比较高的预测精度；（2）考虑粗糙度后，性能预测精度有所提高，粗糙度对低比转数泵的能量性能影响大，而对中高比转数泵能量性能影响较小；（3）流量变化对泵内流场影响明显，偏离设计工况点时在各叶片进口背面出现了明显的低压区；大流量点时由于蜗壳喉部的限流作用，蜗壳扩散段静压出现了明显地下降；流量偏离设计工况点时，叶片进口速度方向发生了明显的改变，致使水流对叶片具有较大的冲击作用且大流量点和小流量点的液流冲击方向相反，大流量点为负冲角，小流量点为正冲角。

4. 采用CFD 方法研究了叶片出口角、叶片出口宽度以及叶片数变化对离心泵设计点性能、内部流场以及性能曲线形状的影响并用实验进行了验证。研究表明：（1）设计工况下，出口角变化对高比转数离心泵的性能影响较大；叶片出口宽度的变化对中等比转数离心泵的性能影响较为明显；叶片数的变化对高比转数和低比转数离心泵性能影响显著；（2）叶片出口角、叶片出口宽度以及叶片数的变化对离心泵叶轮内的“射流-尾迹”现象都有明显的影响，“尾迹”区的面积随着出口角的增大、出口宽度的增加以及叶片数的减少而扩大；叶片出口宽度以及叶片数的变化对叶片进口背面的低压区的面积大小也有较大的影响，随着出口宽度的减小及叶片江苏大学博士学位论文：离心泵能量性能预测的研究II数的增加这一面积不断增大；叶片出口宽度还对蜗壳断面内的二次流有较大的影响，叶片出口宽度的增大有利于消除蜗壳断面内二次流的漩涡，但过大的叶片出口宽度会造成回流；（3）叶片出口角、叶片出口宽度以及叶片数变化对离心泵的扬程曲线和效率曲线的形状有较明显的影响，但尚难发现统一规律，尤其是叶片数的影响zui为复杂。

5. 分别应用RANS 非定常模拟和大涡模拟对不同比转数的3 台离心泵进行了非定常的性能预测并分析了不同时刻流场变化。研究表明：（1）不论是RANS 非定常模拟还是大涡模拟的非定常预测值都要高于定常模拟预测值，其中RANS 非稳态预测值zui大；（2）当叶片正对蜗壳隔舌时，此时泵内静压梯度zui大，在蜗壳隔舌附近及蜗壳出口的静压降到了zui小值，而这时在该叶片出口的工作面静压却达到了zui大值。当叶片远离蜗壳隔舌时，泵内压力波动减小，静压场分布差异也有所减小。

6. 根据大量水力模型的计算结果和实验结果，比较分析了斯托道拉、威斯奈、普夫莱德尔、斯基克钦等滑移系数公式，研究表明对于离心泵而言威斯奈公式（ns<65）和斯基克钦公式（ns>65）的计算结果比较准确，并通过对这两个公式的修正进而达到修正理论扬程的目的，同时用回归分析分类给出了其修正系数的数学表达式。

7. 分析了水力损失的计算公式，在深入研究各种水力损失类型的基础上，对各水力损失的表达式进行了修正，并结合实例用回归分析方法给出了其修正系数的数学表达式。研究比较了各种圆盘摩擦损失的计算公式，认为应根据比转数的范围来选用圆盘摩擦损失的计算公式。根据大量实例修正了圆盘摩擦损失计算公式，并给出了其修正系数的数学表达式。

8. 基于水力损失法在Windows 平台上和AutoCAD 环境下，用VC++6.0 和ObjectARX 2000 作为开发语言，开发成功了工程实用的离心泵性能预测软件。

9. 同时采用改进算法的BP 网络和RBF 网络预测了离心泵的能量性能。研究表明BP 网络和RBF 网络都有比较高的预测精度且BP 网络的预测精度略高于RBF网络，但BP 网络比较费时，所需时间约为RBF 网络的2 倍。

10. 比较了流场计算法、水力损失法及神经网络法的预测精度，比较结果表明流场计算法的预测精度zui高、水力损失法次之，同时还发现水力损失法和神经网络法在进行性能预测时有一定的不稳定性。

关键词：离心泵，性能预测，流场计算，水力损失，神经网络