本書以對我國經(jīng)濟建設和國家安全有著重要現(xiàn)實意義的流程離心泵和航天發(fā)動機離心泵為具體工程背景,從基礎理論、數(shù)值模擬和內(nèi)外特性實驗等方面,對離心泵內(nèi)部流動具有的跨尺度、非線性、動靜干涉等特征開展了系統(tǒng)深入的研究,構建了適用于實際工況、計算效率適宜的湍流計算模型,獲得了離心泵全流量工況、高精度的全流場信息,提出了內(nèi)部流動不穩(wěn)定的參數(shù)化表征和判斷依據(jù),建立了外特性不穩(wěn)定表征與內(nèi)部流動不穩(wěn)定之間的關系,從而揭示了離心泵內(nèi)部流動特性對外特性的影響規(guī)律,為完善高性能離心泵的設計開發(fā)和可靠運行提供了技術支撐。
本書可作為流體機械、葉輪機械教學和科研人員的參考書,也可為離心泵產(chǎn)品設計和實際應用的有關技術人員提供重要的借鑒和指導。
離心泵是石油化工、化工、煤化工和制藥等流程領域的關鍵設備,它可以將液態(tài)工作介質(zhì)加壓輸送至系統(tǒng)的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)和操作單元,是整個液體輸送系統(tǒng)的心臟。隨著流程工業(yè)和航天事業(yè)的發(fā)展,離心泵正在向大功率密度,即高速、高壓和大型化方向發(fā)展。離心泵在運行過程中,必須要具備高效率、高抗汽蝕余量、低振動噪聲和高工作穩(wěn)定性等優(yōu)越的外特性指標,而這些都是由離心泵的內(nèi)部流動特性所決定的。在旋轉和彎曲的作用下,離心泵內(nèi)部流動呈現(xiàn)出明顯的跨尺度、非線性、動靜干涉和弱可壓等特性,其流動非常復雜。離心泵的工作轉速越高、葉輪級數(shù)越多、工作介質(zhì)越特殊,其內(nèi)部流動就越復雜。盡管國內(nèi)外已針對離心泵內(nèi)部流動開展了較多的理論分析和實驗研究,但目前還未能很好地揭示離心泵內(nèi)部非常復雜的流動特性機理。
本書以對我國經(jīng)濟建設和國家安全有著重要現(xiàn)實意義的流程離心泵和航天發(fā)動機離心泵為具體工程背景,從基礎理論、數(shù)值模擬和內(nèi)外特性實驗等方面,對離心泵內(nèi)部流動具有的跨尺度、非線性、動靜干涉等特征開展了系統(tǒng)深入的研究,構建了適用于實際工況、計算效率適宜的湍流計算模型,獲得了離心泵全流量工況、高精度的全流場信息,提出了內(nèi)部流動不穩(wěn)定的參數(shù)化表征和判斷依據(jù),建立了外特性不穩(wěn)定表征與內(nèi)部流動不穩(wěn)定之間的關系,從而揭示了離心泵內(nèi)部流動特性對外特性的影響規(guī)律,為完善高性能離心泵的設計開發(fā)和可靠運行提供了技術支撐。
本書在成書過程中,得到了浙江理工大學、浙江天德泵業(yè)有限公司和嘉利特荏原泵業(yè)有限公司等單位有關老師和科技人員的大力支持,他們包括任蕓、竇華書、林哲、崔寶玲、李曉俊、陳德勝、張煒和賈曉奇等,在此一并表示衷心的感謝!
本書得到了國家自然科學基金項目(No51536008)和浙江省重點研發(fā)計劃項目(No 2017C01021)的資助。
對于書中存在的缺點和錯誤,敬請讀者批評指正。
朱祖超林培鋒陳小平
前言
第1章緒論
11離心泵簡介
12離心泵內(nèi)部流動
121離心泵內(nèi)部流動不穩(wěn)定數(shù)值分析
122離心泵內(nèi)部流動不穩(wěn)定的表征
123離心泵內(nèi)部不穩(wěn)定流動實驗
124離心泵的內(nèi)外關聯(lián)
125轉速對高速離心泵內(nèi)部流場的影響
126動靜干涉對高速離心泵內(nèi)部流場的影響
13空化流動與誘導輪
131空化模型和數(shù)值方法
132空化狀態(tài)下誘導輪內(nèi)氣泡的演化規(guī)律
133來流含氣對誘導輪空化發(fā)展的影響
134誘導輪低溫介質(zhì)的空化特性
135離心泵內(nèi)的空化實驗
14控制方程和湍流數(shù)值模型
141湍流RANS數(shù)值模型
142湍流LES數(shù)值模型
143湍流RANS/LES混合模型
144空化模型
第2章離心泵湍流模擬及發(fā)展
21湍流RANS模型
211基于SST k
湍流模型的改進
212基于k
湍流模型的PR修正
213聯(lián)合考慮旋轉和曲率的湍流模型改進
22湍流大渦模擬
221亞格子應力的螺旋度修正
222基于螺旋度修正的大渦模擬分析
23湍流混合模型
231基于IDDES的方法改進
232模型驗證與結果分析
離心泵內(nèi)部流動
數(shù)值分析及應用
目錄
第3章離心泵內(nèi)部流動不穩(wěn)定表征
31能量梯度方法簡介
311壓力驅動流動
312剪切驅動流動
313通用能量梯度函數(shù)
32離心葉輪內(nèi)能量梯度及其變化率
321能量梯度
322能量梯度變化率
33基于能量梯度的微型離心泵的不穩(wěn)定流動表征
331幾何模型和計算方法
332結果討論及分析
34其他不穩(wěn)定表征方法
341基于熵產(chǎn)分析方法的離心泵內(nèi)不穩(wěn)定流動的表征
342離心泵進口不穩(wěn)定回流的形成和演化過程
343基于全局線性穩(wěn)定性敏感性分析的不穩(wěn)定流動模態(tài)表征
第4章空化流動與誘導輪
41基于OpenFOAM的繞水翼空化流動與湍動能輸運分析
411繞水翼空化流動特性分析
412空化流動中湍動能輸運分析
42誘導輪離心泵內(nèi)空化流動特性
421無誘導輪離心泵內(nèi)部流動的數(shù)值模擬
422誘導輪內(nèi)部流動特性
423誘導輪離心泵空化特性的數(shù)值模擬
424誘導輪離心泵外特性和空化特性實驗
第5章泵內(nèi)數(shù)值模擬與性能預測
51模型泵數(shù)值方法及驗證
511模型及方法
512模擬參數(shù)設置
513實驗驗證及分析
514數(shù)值結果分析
52模型泵性能預測及分析
521偏工況下離心泵內(nèi)主流場的不穩(wěn)定流動特性
522次流動區(qū)流動對瞬態(tài)壓力脈動的影響
523振動能量與內(nèi)部流動損失的分析
53大功率離心泵內(nèi)部流動及分析
531兩級高速離心泵的非定常流動分析
532五級離心泵內(nèi)部的非定常流動分析
533十級離心泵內(nèi)部的非定常流動分析
534十一級離心泵內(nèi)部的非定常流動分析
參考文獻
Contents
Preface
Chapter 1Introduction
11Introduction to centrifugal pumps
12Internal flow in centrifugal pumps
121Numerical analysis on the instability of internal flow in centrifugal
pumps
122Characterization of the instability of internal flow in centrifugal pumps
123Experiments on unstable flow in centrifugal pumps
124Correlation of internal flow and performance of centrifugal pumps
125Effect of rotation speed on internal flow in highspeed
centrifugal pumps
126Effect of rotorstator interaction on internal flow in highspeed
centrifugal pumps
13Cavitating flow and inducers
131Cavitation model and numerical methods
132Evolution patterns of bubbles in inducers under cavitation state
133Influence of incoming flow with gas on the development of
cavitation in inducers
134Cavitation characteristics of lowtemperature medium in inducers
135Experiments on cavitation in centrifugal pumps
14Governing equations and turbulence models
141RANS models
142LES model
143RANS/LES hybrid models
144Cavitation models
Chapter 2Turbulence Flow Simulations and Model Improvements
21RANS models
211Improvement based on the SST k turbulence model
212PR correction based on the k turbulence model
213Improvement of turbulence model considering joint effect of
rotation and curvature
Numerical Analysis on Internal Flow in
Centrifugal Pumps and Its Applications
Contents
22Large eddy simulation
221Helicity correction of SGS
222Large eddy simulation analysis based on the helic