本科毕业论文模板(可直接套用模式).doc
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1、学号 11 年级 11级 本科毕业论文专 业 姓 名 指导教师 评 阅 人 二一五年五月中国 南京摘 要在全球能源日趋紧张和我国农业大力发展的今天,提高大型泵站装置效率是一项十分重要的工作。贯流泵装置是一种新型低扬程泵站结构形式,由进出水流道、安装电机的贯流泵组成。该装置将泵站的引水与排水相结合,进、出水流道顺直,水力损失小,机组结构简单紧凑,造价低,便于实现双向抽水等特点,特别适用于城市防洪排涝工程及农业排灌工程之中。目前,针对贯流泵装置效率偏低、研究偏少的状况,本文正是以某泵站贯流泵装置为研究对象,通过CFD技术对其进行了性能优化设计及模型装置的综合性能研究。主要的研究内容及成果如下:(1
2、)根据资料,建立研究对象的三维计算模型,并对其进行非结构化网格划分及边界条件的设定,基于不可压缩连续方程、雷诺时均N-S方程和S-A湍流模型,建立了全流道三维湍流数值方法。(2)通过正反向工况三维数值模拟,开展叶片翼型及叶轮安放位置、导叶翼型及导叶安放位置的几何参数优化,获得最优模型为叶片采用A叶片型式,叶轮离竖井位置为210mm,导叶采用不对称导叶型式,导叶离叶轮出口距离为23mm的模型。(3)对最优模型进行了综合水力性能的数值计算及分析,得到了模型正反向综合特性曲线与内部流场分布规律。最优模型装置正向效率为67.23%,反向最高效率为58.32%,较优化前模型实验数据,设计工况下正反向效率
3、均提高了5%以上,达到了优化设计的目的。关键词:双向 贯流泵 CFD 性能优化 综合特性AbstractAccompanying by the global energy shortage and our country agriculture vigorously development day by day, it is very important to improve the pump installation efficiency for large pumping station. The bidirectional pit pump installation is a new k
4、ind structure form of low-lift-head pumping system. It is composed of inlet and outlet conduit, pit for erecting motor and bidirectional pump. This pumping system which combines water diversion with drainage has important characteristics of straight flow, small hydraulic loss, low investment and sim
5、ple structure. And it is also easy to realize the bidirectional pumping. It is especially suitable for urban flood control and drainage and agricultural irrigation and drainage engineering.At present, owing to few researches and low efficiency for the bidirectional pit pump installation, in this pap
6、er, CFD (Computational Fluid Dynamics) technology is applied to its performance optimization design and comprehensive performance research. Main contents and research achievements are shown as following:(1) The 3D geometric model of research object is established according to original information, a
7、nd then carries on the unstructured mesh and boundary conditions, the 3D steady turbulent flow of pumping installation based on the incompressible continuity equation, the Navier-Stokes equations and the Spalart-Allmaras turbulence model, established of 3D turbulent flow through the full passage of
8、numerical method.(2) Through the positive and reverse condition numerical simulation, developing blade and guide vane and placement optimization of geometry parameters, obtaining the optimal model for impeller type named A, away from the shaft for 210mm and a symmetric guide vane which away from the
9、 impeller outlet of 23mm.(3) The optimal model for the comprehensive hydraulic performance numerical calculation and analysis, obtained the model positive and reverse synthetic characteristic curve and internal flow field distribution rule. Optimal model of device positive and reverse efficiency of
10、67.23% and 58.32%, compared with the experimental data of before, design condition efficiency is increased by more than 5%, has reached the purpose of optimization.Keys words: Two direction, Shaft tubular pump, CFD, Performance optimization, Synthetic characteristic目 录第一章 绪论21.1 研究背景和现实意义21.2 研究现状21
11、.3 CFD软件介绍21.3.1 CFD基础知识21.3.2 FLUENT基本介绍21.4 本文主要工作2第二章 贯流泵装置数值模拟方法22.1 三维湍流数值模拟和计算方法22.1.1 数值模拟的控制方程22.1.2 湍流模型22.1.3 数值计算方程的离散化22.1.4 流场数值解法2.2 贯流泵模型及网格划分22.2.1 泵装置模型装置参数22.2.2 模型泵装置及网格划分22.3 双向竖井贯流泵模型边界条件22.4 本章小结2第三章 贯流泵装置水力性能优化23.1 叶片翼型及叶轮位置的优化设计23.1.1 叶片翼型优化23.1.2 叶轮安放位置优化确定23.2 导叶翼型及导叶位置的优化设
12、计23.2.1 导叶翼型优化23.2.2 导叶安放位置优化确定23.3 本章小结2第四章 贯流泵最优模型综合特性分析24.1 最优模型泵装置综合特性曲线24. 2 最优模型泵装置内特性分析24.2.1 泵装置正向运行时水力特性24.2.2泵装置反向运行时水力特性24. 3 试验数据的对比24. 4本章小结2第五章 总结与展望25.1 全文总结25.2 后续展望2参考文献2附表2致谢2第一章 绪论1.1 研究背景和现实意义自然界存在着多种能源,目前已被开发利用的能源主要有热能、水能、风能和核能,其中水能是一种清洁的可再生能源1。而水利又是我国农业发展的基本保证,我国是以农业为基础的发展中国家,农
13、业的发展是我国国民经济的命脉,农业的发展直接关系到我国国民经济发展的好坏。在我国,应力求水能资源得到合理的优化配置,实现水能资源的可持续发展。在农业生产中,灌溉和排涝对农业生产有着重大影响,改善排灌条件、提高泵站效率不仅对提高农业生产力有着巨大的促进作用,而且有利于降低自然灾害对农业生产的不利影响。我国北方水资源匮乏,而南水北调工程则是解决我国北方水资源严重匮乏的重要战略举措,南水北调工程东线工程具有扬程低、流量大、年运行时间长等特点,这些对泵站的效率都提出了严格的要求。像这种跨流域调水的重大工程对于解决由于水资源匮乏而带来的一系列生态问题也有明显促进作用。因此,提高泵站效率,实现水资源利用程
14、度最大化将会具有重大意义。新中国成立以来,机电排灌事业得到充分发展,而泵站是机电排灌的主体工程,它集灌水、排水、供水、调水作用于一身,在跨流域调水中扮演着重要角色。从新中国成立开始到其后的50年间,我国的排灌泵站在抗御洪涝干旱灾害,保证农业稳产与增产,改善农业生产条件,以及跨流域调水,解决城镇供水,促进国民经济各部门发展中发挥了重要作用,取得了显著地经济效益与社会效益2。纵观我国泵站建设的特点就是速度快、类型多、规模大、范围广;合理规划、优化选型、精心设计、精心施工;加强管理、优化运行、节能节水、效益显著。虽然我国水泵及泵站的数量、规模已有较快的发展,但同时也存在一些缺点,主要是不少泵站装置效
15、率偏低,能源消耗大,抽水成本高,灌区工程配套不齐全,机电产品类型和质量问题等,致使一些泵站经济效益低。此外,在某些技术方面与国外先进技术相比,也还有一定的差距,有待于加大科研力度,希望通过更多水利工作者不断地探索与实践,争取赶上和超过国外先进水平3。贯流泵装置具有进出水水流平顺流畅、水力损失小、装置效率高等特点,特别适合于低扬程泵站工程,具有较大的应用价值和发展潜力。已有的贯流泵在正向抽水时具有较好的水力性能,而反向抽水时效率却极低(约30%40%),为了满足双向抽水的要求,需要进一步研制贯流泵,但贯流泵不只是单向动能的回收与单向导流问题,为了提高泵站的整体效率需要从整个过流部件、导叶以及原动
16、机等布置与合理优化等方面着手4。贯流泵装置作为一种低扬程泵站结构形式,它将电机、齿轮箱安装在钢筋混凝土竖井内,具体特点如下:(1)水泵进、出水流道顺直、泵站装置效率较高:(2)与灯泡贯流泵装置相比,通风防潮条件好,运行和维护方便;(3)竖井本身尺寸笨重、刚度大,受力及变形分析简单,传力路径明确5。基于以上特点,加上泵的优点,我们将两者结合起来,于是贯流泵装置应运而生。贯流泵具有双向运行的特点,正向工况可作为引水工况则其反向工况可作为排涝工况,这种运行特点很符合现如今农业水利发展的需要。但是作为双向泵,要同时兼顾正向与反向的运行效率是比较困难的,这也是现如今水利工作者、专家对贯流泵的研究重点。影
17、响泵装置效率的主要是水流流态,对贯流泵内水流流态的分析目前可以大力借助CFD技术。CFD的应用与计算机技术的发展密切相关。随着计算机技术的快速发展,计算流体动力学(简称CFD)作为流体力学的一个分支已逐步走向成熟,它在流体机械的研究和设计中得到了越来越广泛的应用。通过CFD数值模拟,我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度、能量损失、压力脉动等)的分布,以及这些物理量随时间的变化,充分实现了流场的可视化,为我们分析问题、解决问题等提供了可靠的理论基础,同时也克服了理论分析方法和实验测量方法的弱点。本文借助于CFD技术,通过对贯流泵装置内正反向工况的水流流动特性
18、进行研究,经过数值计算,分析贯流泵的叶片与导叶型式及其安放位置对水流流态的影响进而实现泵装置的性能优化。最终得到水力性能较好的模型,分析贯流泵装置的整体性能,为日后提高贯流泵装置的效率和减少泵站基建投资提供理论参考,对我国贯流泵的发展具有重要的现实意义。1.2 研究现状双向竖井贯流泵具有双向运行的特点和要求,其叶片及导叶翼型的设计也与单向贯流泵或竖井泵不同,若能兼顾双向运行的效率,将会对农业发展及城市防洪工程的建设做出巨大贡献。近几十年来,国内外许多专家、学者都曾对双向竖井贯流泵进行过大量研究。施法佳、陈红勋等人6,7 通过利用CFD技术,基于三维雷诺平均Navier-Stocks方程、标准k
19、-紊流模型和SIMPLE算法,对模型泵内流场进行了数值计算,经过对比验证了计算方法的可行性,进而模拟了双向竖井贯流泵内部的三维粘性流场,预测了不同叶片安放角下装置内部流场,最后提出了通过导叶配置形式来提高双向竖井贯流泵装置效率。陈容新、关醒凡等人8,9则是对双向竖井贯流泵站模型泵装置进行了模型试验,按照流体力学相似原理的方法建立了黄麻涌双向竖井贯流泵站流道的装置模型,测定了模型泵在指定叶片角度下的装置综合特性曲线,同时也测定了在不同工况运行状态下的汽蚀性能,最后提出了泵站建设的注意事项的相应的改进措施:设计流道时,要尽快减小竖井的宽度,同时将进出水流道的中分墩线尽量后移(适当增加大轴长度),使
20、水流的速度变化梯度减小,流态平稳。王玲花,刘大恺等人10,11是通过性能试验结果对双向贯流泵导叶设置与原动机布置进行了研究。他们是根据双向贯流泵具有在正反向运行时效率都不能太低,而导叶位置、导叶进出口安放角和叶栅稠密度等因素对泵出流流态产生影响,进而影响泵装置效率提高的特点,通过单、双向贯流泵性能试验的对比分析,得出了“S”形双向贯流泵设置后导叶能显著提高泵的效率以及原动机布置在进水侧较为有利的结论。郑源、张德虎等人12,13结合无锡梅梁湖泵站,对两种不同转轮在相同进、出水流道情况下进行了能量特性实验研究。实验研究结果表明,竖井贯流式水泵在超低扬程(12m)的调水工程中具有很好的水力性能,其模
21、型泵装置的最高效率可达69%左右,该项试验研究为今后竖井贯流泵装置的进一步开发利用研究起到了很好的开端。成立、刘超等人14,15,16则是针对城市水环境治理工程中的超低扬程双向抽水要求,运用三维数值模拟技术优化获得了泵装置进、出水流道型线和控制尺寸,使其原型机运行效率在正反向时均超过了60%。此外,他们还对对称翼型转轮双向泵装置紊流进行了数值模拟和性能预测,计算采用RNG紊流模型,通过SIMPLEC算法,利用控制容积有限元法离散三维不可压Navier-Stocks方程得到了双向泵装置定常流动,同时预测了泵装置的水力性能,与模型试验结果对比吻合较好。龙凤华,张波等人17提出一种适合于大型低扬程竖
22、井贯流泵进出水流道的优化设计方法。经过装置模型试验验证,对水泵的进出水流态进行观察分析发现隔墩设置位置及形式对进出水流态及水力损失系数影响较大:当隔墩靠近出水流道扩散段,出水流道内易形成回流,增加水力阻力损失;当隔墩设置在出水流道扩散管稍后时,出水流态较明显改善,而将隔墩断面改为锥形圆头断面时,出水流态得到显著改善,此时出水流道内的水力阻力损失系数最小。刘君,郑源等人18利用CFD技术对前置竖井和后置竖井的贯流泵装置的进出水流道、泵室段和出水流道在设计流量工况下的基本流态进行分析,发现前置竖井贯流泵的进、出水流态都较好,而后置竖井贯流泵装置的进水流态均匀平顺,但出水流道的流态较混乱,水力损失相
23、对较大,效率也低于前置竖井贯流泵装置;导叶和竖井是影响出水流态和泵装置效率的关键因素,在导叶环量和竖井影响下极易产生脱流和漩涡。综上所述, CFD技术在许多学者专家的研究方法里占据重要位置,可见CFD技术的实用性。现如今的专家学者更多的是对竖井贯流泵装置进行优化设计或性能分析,对双向贯流泵的研究相对较少,双向竖井贯流泵的研究则更是少之又少。由于双向竖井贯流泵是兼顾双向贯流泵和竖井贯流泵的综合优点,其研究及优化改造相对困难。在实际泵站建设中,所要追求泵站建设的经济性和实用性,既要努力使泵装置的效率要高,还要尽可能的减少基建投资。在不影响双向竖井贯流泵装置整体效率的情况下,尽可能的减少泵装置的整体
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