冲压焊接多级离心泵的理论研究及工程实现.pdf

第41卷第2期
机械工程学报
Vo1.41No.2
2005年2月
CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Feb. 2005
沖压焊接多级离心泵的理论研究及工程实现
刘元义
(山东理工大学教务处淄博255049)
蔡保元
(上海理工大学动力工程学院上海20000
霍春源
(中国机械技术装备有限公司北京10000
刘加利王广业
(山东理工大学机械工程学院淄博255049)
摘要:提出了把“理想流体”作为参照量,把粘性边界层作为水流动边界条件的粘性水力设计方法。针对冲压焊
接多级离心泵吸入口的流态,推导出了粘性条件下的畸交方程式和输运方程式,以此应用于冲压焊接多级离心泵
的水力设计,实践应用改善了冲压焊接多级离心泵的性能,提高了运行效率
关體词:冲压焊接多级离心泵理论研究工程实现
中图分类号:TH313
计,解决了离心泵长期存在的“偏工况”运行问题,
0前言
提高了泵的运行效率。
目前水泵的水力设计大都按“理想流体”方法1理论分析
进行,并且已达到相当完善的程度,除核电主泵外,
1粘性流动与离心泵内的“理想流体”运动
国民经济各部门使用的离心泵均可自行设计。但是
水泵设计的理论基础是流体运动的纳维一斯
对于输送粘性浆液以及“粘性效应”明显的低比转
托克斯方程。当考虑粘滞力的影响时,N-S方程
速冲压焊接多级离心泵,效果并不理想。国家在“八是椭圆方程,其充分必要条件是同时遵守斯特鲁
五”“九五”期间,均组织过科技攻关,形成了
些非粘性设计方法?,但未能从根本上解决问题。
哈定律、欧拉定律、雷诺定律及沸汝德定律。要
国外也在这一领域进行探讨与研究,由于数理方程
模拟一种水力现象,必须保持几何相似、运动相
似和动力相似。A.A.洛马金甚至从数学上证明,
的复杂性,目前离心泵的水力设计大都是在“理想
流体”情况下,利用非粘性流动的欧拉方程进行求
考虑粘性力时四大定律无法同时满足,N-S方程组
无法求解。对于离心泵,还要考虑二阶对称张量
解。但是按“理想流体”设计的各种离心泵,在“粘的満流附加应カ,所以离心泵的水力设计一般不
性效应”明显的情况下,运行效率降低,有的甚至
考虑粘性
无法使用。因此,探讨一种离心泵粘性流水力设计
方法成为当务之急。
在不考虑液体粘滞力影响的情况下,忽略雷诺
定律,只遵守欧拉定律,N-S方程简化为“理想流
在“两相流稀相轻介质”试验研究的基础上,
体”的欧拉方程,其数学表达式为
提出了把“理想流体”作为参照量,把粘性边界层
作为水流动边界条件的粘性流水力设计方法。针对
12_业++g+ncw
冲压焊接离心泵内粘性流的特点,建立了泵吸入口
ax Ot
z
的粘性流方程组,求解粘性流过流通道及速度场的
_1②
十
畸变值,以此应用于低比转速冲压焊接离心泵的没
z
p az at &x
z
20040519收到初稿,20041008收到修改稿
万方数据
2005年2月
刘元义等:冲压焊接多级离心泵的理论研究及工程实现
欧拉方程式(1)与连续性方程共同组成四个方缩小后的断面为B-B,断面A-A及断面B-B中心点
程组求解四个未知数,理论上方程组封闭可以求解,的压强分别为P1和P2,断面平均流速分别为v和
但事实上十分困难,因为二阶非线性偏微分方程组,v2,qr为流量,截面积分别为A1、A2,B为管轴
必须线性化,而且只有在某些特定的条件下オ有解,与垂线的夹角,L为A-A与B-B的距离。
通常简化为平面问题,用拉普拉斯方程求解。
离心泵内的水流运动通常处于素流运动状况,
还必须考虑二阶对称张量的湍流附加应力,“理想
流体”的四个方程组,就有10个未知数,尚须通过
水力模型试验,补充足够的边界条件,借助于计算
机手段,通过逐步逼近的方法才能近似求解。这也
B
是离心泵的水力设计大都使用半理论、半经验计算
公式的原因。
1.2固体边界附近的粘性边界层现象
粘性边界层是粘性流体进入流道后,受边界粘
图3粘性边界层引起的相对阻塞示意图
性或凹凸的阻滯作用而形成的。当第一个质点流速
降到零,影响到第二个质点,使其流速降低,并传
建立A-A~B-B断面的动量方程为
递到离边壁较远的质点。从试验看出:这种影响局
gy(av2 -&ov)=P1A2 +YA2 L cos B
限在边壁附近一层不厚的液体里,其厚度为δ,如
图1所示。
假设a1=2=a0=1,而cosB
2(
)=P1-P2+y(2
东流边界层
建立A-A~B-B断面之间的能量方程为
层边界
っ十
图1泵流道的粘性边界层示意图
g
8
pl-p2a1yi-a
边界层的厚度δ除与粘性以及雷诺数有关外,
还与固体边壁粗糙面的凸出高度有关,如图2所示。h为AA与B-B断面之间的能量损失。
高比转速离心泵,通道直径d比较大,其相对粗将方程式(2)代入上式得到
度δd很小,水流粘性效应不明显,粘滞力可以不
r(2-)a-a22
考虑。但对于低比转速离心泵,由于流道窄长,过
g
g
流通道直径d较小,有时只有几毫米,而边界层的因为q=242并假设a1=a2=1
厚度δ较大,对铸造泵δ为0.3mm,粘性边界层的
相对厚度高达10%~20%,这种情况下,粘性边界所以。=2y2(v2-v),
层严重阻塞流道,造成水流速度场畸变和水流过流
作为粘性流动,将考虑粘性流边界层和不考虑
通道畸变,所以粘性边界层的影响必须考虑s?
粘性流边界层相对比,而且在同一过流断面,即
z2,A1=A2,从上述推导可得到过流通道粘性
流的输送方程式为
K
K=(2gh)
图2粘性边界层相对厚度示意图
式中h粘性边界层产生的附加水力损失
1.3粘性边界层引起的水流运动输送方程
K一粘滞特性系数
考虑粘性边界层时,管道直径相对减小,产生
1一粘性流考虑边界层水流运动畸变速度
相对堵塞作用,如图3所示。设缩小前的断面为A-A4,
v2一一粘性流不考虑边界层水流运动速度
万方数据