[發明專利]基于三維動網格的旋噴泵非定常流場的計算方法

有效

• 申請號: 201310138337.4
• 申請日: 2013-04-19
• 公開（公告）號: CN103226634A
• 公開（公告）日: 2013-07-31
• 發明（設計）人: 黃思;楊富翔
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06T19/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 梁瑩;李衛東

技術領域

本發明涉及旋噴泵技術領域，更具體地說，涉及一種用于旋噴泵的非定常流場的計算方法。

背景技術

小流量高揚程泵在石油、化工、城建、冶金、造紙等諸多行業中有著廣泛的應用。該類泵的比轉速很低（ns≤30），因此帶來的問題是水泵運行效率偏低，能量損耗極其嚴重。旋噴泵（又稱旋轉噴射泵、畢托泵）是基于畢托管將流體動能轉換成勢能原理研制的一種低比轉速泵。圖1是旋噴泵的流動模型，它包括進水段、葉輪、轉子腔和集流管四個主要過流部件，其中葉輪和轉子腔固接在一起并隨主軸同步旋轉，而集流管則是插入轉子腔內的靜止元件。旋噴泵運行時，液體從進水段進入葉輪，受旋轉葉輪葉片作用后獲得能量進入轉子腔，再隨轉子腔一起轉動獲得更高的動能后進入集流管，經過擴散段動能轉換為勢能后由集流管的直管段流出。與常規的高壓泵（如多級泵、往復泵等）相比，旋噴泵具有結構簡單、體積小、重量輕、使用方便、工作可靠等特點，逐漸成為小流量高揚程泵的主要選項，在泵效率等性能方面也有較大的提升潛力。從應用的角度講，如圖1所示，集流管的徑向長度與轉子腔半徑相當，集流管的橫截面直徑約占轉子腔軸向尺寸的1/4～1/3。可以想象，當葉輪和轉子腔旋轉時，固定靜止的集流管必然對高速旋轉（部分旋噴泵轉速在4000rpm以上）的葉輪和轉子腔流場產生嚴重的干擾，集流管本身周圍也形成壓差產生對集流管較大的作用力，引發振動噪音等不利因素。

從科學研究的角度講，對于普通葉片泵（如離心泵、軸流泵等）的非定常流動問題，當葉輪旋轉時，轉子（葉輪）域與定子（泵體、管路）域幾何形狀始終保持不變；除了相連接的交界面外，轉子域與定子域各自獨立、互不干涉，因此可采用都是剛性網格的轉子域和定子域做相對運動的“滑移網格法”進行瞬態分析。但在旋噴泵流場中，當轉子（轉子腔和葉輪）域旋轉時，轉子域與靜止的集流管實體發生沖突；若要避開集流管實體的干涉，轉子計算域必須隨時間做大幅變形，計算網格也需要做相應的調整，因此不能使用上述剛性網格的“滑移網格法”。

解決流動域及網格的大變形問題，必須采取三維計算旋轉域及其網格重構技術，才有可能實現旋噴泵的非定常流場分析。由于三維網格重構的復雜性、計算耗時及新舊網格多次映射插值引起誤差等多方面的原因，到目前為止基于三維網格重構技術的流場分析尚處于探索階段，更沒有成熟的工程應用案例。

1923年Krogh把畢托管工作原理應用到泵的設計中，后被研制成旋噴泵用于二戰。20世紀80年代，德國、日本等國投入資金進行旋噴泵的理論研究和產品開發，目前已有很多產品投入市場，但可查閱的旋噴泵資料大都是產品介紹，相關的研究報導和技術資料還很少見。90年代中，Sbom對旋噴泵的工作原理、結構特點及其應用等方面做了全面的介紹。

20世紀80年代末我國陸續引進旋噴泵產品，國內也開始了關于旋噴泵工作原理、水力性能等方面的研究。楊軍虎、齊學義、馬希金等通過樣機試驗，分析了旋噴泵內流動狀況，提出長短葉片相間的復合式葉輪設計方法，給出了集流管的設計公式和選擇范圍；他們還采用任意準三元正交面法求解旋噴泵葉輪內的準三元流場，并對旋噴泵的流動機理和設計方法進行了初步研究。王成木等將旋噴泵的三種葉輪與四種集流管進行了不同組合試驗，發現復合式常規葉片葉輪的效率沒有直葉片的葉輪效率高；還發現集流管的斷面形狀、尺寸和粗糙度除了對流動阻力大小有影響外，還對泵的工作穩定性產生影響。