南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 摘要 近年來，隨著石化工業(yè)和太陽能行業(yè)的飛速發(fā)展，熔鹽泵作為輸送熔鹽的關(guān)鍵設(shè)備，需求量也快速上升。因?yàn)槠鸩酵?，我國的熔鹽泵技術(shù)水平還是落后于德國、法國等發(fā)達(dá)國家。因此，提高國產(chǎn)熔鹽泵的技術(shù)水平是一項(xiàng)非常有意義的工作。本文主要采用數(shù)值模擬的方法，考慮介質(zhì)密度及粘度等因素，研究熔鹽泵在輸送變粘度流體下的外特性的影響規(guī)律，并提出數(shù)學(xué)公式，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圖表法，以修正熔鹽泵輸送粘性液體時(shí)的性能曲線。研究結(jié)果對熔鹽泵的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有借鑒意義。 本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下： （ 1）泵在輸送常溫下的清水和熔融鹽時(shí)，在相同 流量下 ,同一泵輸送熔鹽時(shí)的揚(yáng)程要比輸送清水時(shí)的要小點(diǎn)，不過在相同流量下同一泵輸送熔鹽時(shí)的軸功率要比輸送清水時(shí)的要大。此外，輸送熔融鹽時(shí)的效率略低?？梢钥闯稣扯葘τ谌埯}泵的外特性曲線還是有一定的影響的。 （ 2）將數(shù)值模擬所得到的揚(yáng)程以及效率修正系數(shù)與美國水力協(xié)會(huì)換算圖得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，模擬出的揚(yáng)程修正系數(shù)略低于查圖所得的換算結(jié)果，但是各個(gè)換算系數(shù)曲線的走向是基本相同的。 （ 3）把修正的雷諾數(shù)的常用對數(shù)來作為自變量，把換算系數(shù)來作為應(yīng)變量，提出熔鹽泵和清水泵外特性參數(shù)的換算關(guān)系式，從而就能夠求出泵在0.6Qopt-1.4Qopt流量范圍內(nèi)輸送任意粘度介質(zhì)時(shí)的效率、軸功率和揚(yáng)程。 關(guān)鍵詞： 熔鹽泵 粘度 數(shù)值模擬 外特性ABSTRACT II ABSTRACT In recent years, with the rapid development of petrochemical industry and solar industry, molten salt pump as the key equipment for transferring molten salt is strongly demanded. Because of the late start, technical level of molten salt pump in China is still lower than Germany, France and other developed countries. Therefore, it is very meaningful to improve the technology level of domestic molten salt pump. Considering density and viscosity, influence regularities of the molten salt pump external characteristics were researched by using numerical simulation method under transporting variable viscosity fluid. The main research contents and results in this dissertation are summarized as follows. (1) When molten salt pump is conveying water of room temperature and molten salt, the head of transporting molten salt is smaller than transporting water in the same flow， however， the shaft power of transporting molten salt is bigger than transporting water in the same flow. In addition, the efficiency of transporting molten salt is lower. It can be seen that the viscosity has a certain influence of molten salt pumps characteristic curve. (2)The correction coefficients of head and efficiency obtained by numerical simulation were compared with the results obtained by conversion charts from the American Hydraulic Institute. The results show that the head correction coefficients obtained by numerical simulation are smaller than that obtained by conversion charts. The conversion coefficients decrease with the increase of viscosity, which is same to the simulation results. (3) The logarithm modified Reynolds number was selected as independent variable, and the conversion coefficient was selected as dependent variable. The conversion formulas of external characteristic parameters between the molten salt 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） III pump and water pump were put forward. The efficiency, shaft power and head within the flow rates 0.6Qopt and 1.4Qopt can be obtained by the proposed formulas when transferring different viscosity mediums. KEYWORDS: Molten salt pump； Viscosity； Numerical Simulation； External characteristic 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） i 目 錄 摘要 . I ABSTRACT . II 第 1 章 緒論 . 1 1.1 離心泵性能預(yù)測的主要方法 . 2 1.1.1 水力損失法 . 2 1.1.2 流場分 析法 . 4 1.2 離心泵外特性研究方法 . 7 1.2.1 基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的泵外特性預(yù)測方法 . 7 1.2.2 離心泵性能預(yù)測的發(fā)展趨勢 . 8 第 2 章 熔鹽泵幾何模型建立以及數(shù)值計(jì)算技術(shù) . 9 2.1 CFD 數(shù)值模擬基本理論 . 9 2.1.1 計(jì)算流體力學(xué)簡介 . 9 2.1.2 流動(dòng)控制方程 . 10 2.1.3 標(biāo)準(zhǔn) k-s 湍流模型 . 11 2.1.4 流場計(jì)算的 SIMPLE 算法 . 11 2.2 熔鹽泵三維建模及流場計(jì)算 . 12 2.2.1 Pro/E 三維建模軟件的簡介 . 12 2.2.2 熔鹽泵參數(shù) . 12 2.2.3 幾何模型的建立 . 12 2.2.4 幾何模型的處理 . 14 2.3 網(wǎng)格劃分 . 14 2.3.1GAMBIT 軟件簡介 . 14 2.3.2 網(wǎng)格劃分 . 15 2.4 邊界條件的確定 . 16 2.4.1 進(jìn)口邊界條件 . 16 目錄 ii 2.4.2 出口邊界條件 . 17 2.4.3 壁面條件 . 17 2.4.4 交界面條件 . 17 第 3 章 熔鹽泵外特性預(yù)測 . 18 3.1 熔鹽泵定常性能預(yù)測 . 18 3.1.1 離心泵性能曲線 . 18 3.1.2 揚(yáng)程預(yù)測 . 19 3.1.3 水力軸功率預(yù)測 . 19 3.1.4 水力效率預(yù)測 . 20 3.2 熔鹽泵定常性能曲線 . 20 3.2.1 FLUENT 軟件簡介 . 20 3.2.2 揚(yáng)程流量性能曲線圖（ H Q） . 21 3.2.3 軸功率流量性能曲線圖（ N Q） . 21 3.2.4 效率流量性能曲線圖（ Q） . 22 第 4 章 熔鹽泵外特性模型的修正 . 24 4.1 美國水力學(xué) 會(huì)的換算方法 . 24 4.2 熔鹽泵外特性參數(shù)的公式化 . 27 4.3 公式驗(yàn)證 . 29 第 5 章 結(jié)論與展望 . 31 5.1 結(jié)論 . 31 5.2 展望 . 31 參考文獻(xiàn) . 33 致 謝 . 36 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 緒論 熔鹽泵是一種應(yīng)用廣泛的工業(yè)機(jī)械。其在工業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)等許多的部門都被廣泛的使用。對輸送變粘度流體的 熔鹽泵外特性進(jìn)行研究，有助于泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及對泵的運(yùn)行特性進(jìn)行改進(jìn)。因此不但擁有理論意義，更是擁有重要的工程實(shí)用價(jià)值 1。 熔鹽泵是一類專門來輸送高溫熔鹽的泵，依據(jù)結(jié)構(gòu)形式來劃分，能夠分成熔鹽液下泵以及熔鹽軸流泵，除此之外，還包括 RXB 型熔鹽循環(huán)泵。 熔鹽液下泵的特點(diǎn)是流量小，但是揚(yáng)程高，其葉輪形式為離心式，在實(shí)際應(yīng)用中，離心式的泵最廣泛。 熔鹽液下泵是熔鹽泵系列的一種懸臂式的液下式熔鹽泵，其特點(diǎn)是免維護(hù)，而且軸承是在液面上面，對于液面的下面，采用的是無密封形式。 熔鹽液下泵的工作特點(diǎn)是高效、工作穩(wěn)定、振 動(dòng)非常小、噪音很低而且使用的壽命比較長、維修少、維護(hù)費(fèi)用很低。熔鹽液下泵是根據(jù)伸入容器內(nèi)部的長短的不同的需求而制成的。 熔鹽液下泵的工作部分是浸沒在融化的熔鹽內(nèi)部，所以軸封沒有熔鹽迸濺的現(xiàn)象；熔鹽液下泵在工作的時(shí)候，產(chǎn)生的軸向及徑向力分別是由滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承來支撐的，所以工作時(shí)無噪音；溫度比較高（ 400 度以上）的介質(zhì)軸承箱構(gòu)件處安裝有冷卻系統(tǒng)，熱量被冷卻水帶走。 熔鹽軸流泵是一種流量比較大，揚(yáng)程比較小的熔鹽泵，其葉輪形式是軸流式，主要是應(yīng)用于化工行業(yè)里大流量的熔鹽換熱場合。 熔鹽軸流泵是軸流式熔鹽泵，其葉 輪是軸流式葉輪，也稱為軸流熔鹽泵。熔鹽軸流泵在國內(nèi)已經(jīng)被應(yīng)用了十幾年。該類型的熔鹽泵被廣泛的應(yīng)用于丙烯酸、苯酐、順酐、福馬酸、制冷劑等領(lǐng)域，并且在國內(nèi)首次取代了進(jìn)口設(shè)備。 RXB 熔鹽循環(huán)泵為根據(jù)同樣系統(tǒng)特殊設(shè)計(jì)的熔巖泵，其作用是熔鹽循環(huán) 2。 熔鹽泵具體的工作原理是：在啟動(dòng)前，泵體和進(jìn)料關(guān)必須充滿液態(tài)熔鹽以形成真空狀態(tài)，當(dāng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片帶動(dòng)液體快速旋轉(zhuǎn)，由于離心力的作用，旋轉(zhuǎn)著的高溫熔鹽會(huì)從泵體出液管中甩出去，泵體內(nèi)的熔鹽被拋出后，就會(huì)在葉第 1 章 緒論 2 輪中心的部分形成一塊真空區(qū)域。熔鹽受到大氣壓力的作用，從而通 過管網(wǎng)壓到了泵體內(nèi)。不停循環(huán)，就可以完成連續(xù)輸送熔鹽。 熔巖泵在啟動(dòng)之前，泵殼內(nèi)充滿了熔鹽液體，所以在啟動(dòng)后，葉輪在熔鹽泵泵軸帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，葉片間的液體也會(huì)隨著旋轉(zhuǎn)。在離心力的作用下，液體從葉輪中心被拋向外緣，從而獲得能量，然后以較快的速度離開葉輪的外緣，進(jìn)入了蝸形泵殼里面。 在蝸殼中液體的速度由于流道的逐漸擴(kuò)大而減小，而且把部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成靜壓能，最后以較高的壓力進(jìn)入排出管道，輸送到需要的場所。液體由葉輪中心流向外緣時(shí)，在葉輪中心形成了一定的真空，由于貯槽液面上方的壓力大 于 泵入口處的壓力，液體便被連續(xù)壓入 葉輪中 3。 泵性能參數(shù)有：流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、汽蝕余量、功率和效率。泵 的 各個(gè)性能參數(shù)之間存在著一定的相互依賴變化關(guān)系，可以通過對泵進(jìn)行試驗(yàn)，分別 來 測得和算出參數(shù)值，并畫成曲線來表示，這些曲線稱為泵的特性曲線。每一臺(tái)泵都有特定的特性曲線，由泵制造廠提供。通常在工廠給出的特性曲線上還標(biāo)明推薦使用的性能區(qū)段，稱為該泵的工作范圍。所以在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到泵的各種性能參數(shù)，特性曲線以及實(shí)際的工作環(huán)境 4。 高溫熔鹽的粘度對熔鹽泵的性能影響是很大的，當(dāng)粘度增加時(shí)，泵的揚(yáng)程曲線下降，最佳工況的揚(yáng)程和流量均隨之下降，而 功率則隨之上升，因?yàn)樾式档?。 所以 進(jìn)行輸送變粘度流體的熔鹽泵外特性修正模型研究有著重要的意義。 1.1 離心泵性能預(yù)測的主要方法 1.1.1 水力損失法 水力損失法是 當(dāng) 前預(yù)測離心泵性能最 慣 用的方法，它是 來 通過對各種水力損失的物理本質(zhì) 以及 其影響因素的分析， 從而 尋求各種損失 與 泵 的 結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系， 而且能夠 對流動(dòng)作 相應(yīng) 的假設(shè) 與 簡化 ，以此 來建立水力損失模型。對 于那些 不同種類的水力損失 ，需要采 用不同的計(jì)算公式，最后 再 根據(jù)泵 的 基本方程 來求得性能參數(shù)。 所以 ，水力損失的計(jì)算就 成為了 了水力損失法的關(guān)鍵 之處 。文獻(xiàn)6和 7對離心泵內(nèi) 的 水力損失作了 陳述 。離心泵的水力損失主要 是指的是 吸入室、葉輪 以及 壓水室內(nèi)的水力損失，同時(shí)還有容積損失 以及 機(jī)械損失。 由于 吸入室 里面 的水力損失相對 于 總的水力損失 很小 ，通常是忽略不計(jì)的。南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 離心泵葉輪內(nèi)的水力損失主要有葉輪進(jìn)口處 的 液流沖擊損失、葉輪流道內(nèi)的水力摩擦損失 以及 擴(kuò)散損失、液流 從 軸向變 成 徑向的損失 和 葉輪出口處水力損失。葉輪內(nèi)的水力損失 一共 有兩種求法 :一是分別求 出 上述 的 各項(xiàng)水力損失 8-12；二是 對葉輪內(nèi)的水力損失 進(jìn)行 統(tǒng)一求解 13。近年來應(yīng)用 比 較多的是 注要 前一種方法，而且大部分 都是 利用 半經(jīng) 驗(yàn)半理論的公式 來 進(jìn)行求解。 離心泵 的 壓水室的主要結(jié)構(gòu)形式是蝸殼。蝸殼 里面 的水力損失 一般 也 主要 有兩種算法：一是 按照 損失 的 種類 分類為 蝸殼內(nèi) 的 摩擦損失 與 蝸殼內(nèi) 的 擴(kuò)散損失來計(jì)算 14；二是按 照 蝸殼結(jié)構(gòu)分為螺旋段部分 的 水力損失 與 擴(kuò)散段部分 的 水力損失來計(jì)算， 之后 再按 照 損失種類分別計(jì)算，其中螺旋段 的 水力損失 包含有 沿程摩擦阻力損失 與 沖擊混合損失，擴(kuò)散段的水力損失 包含有 摩阻損失 與 擴(kuò)散損失。這兩種方法 相比較之下，其實(shí)沒有 明顯的優(yōu)劣之分，主要的區(qū)別 在于 后者把擴(kuò)散流道 里面 的水力損失計(jì)算得 相對 準(zhǔn)確， 由于 擴(kuò)散流道 里面 的流動(dòng)比較簡單， 很容易就 用水力學(xué)公式 來求解出 損失 并且 與實(shí)際吻合得較好， 不過 由于螺旋段的流動(dòng)非常復(fù)雜， 所以 需要采用二維或 者是 準(zhǔn)三維的方法來計(jì)算 15， 從而導(dǎo)致 后者的精度 和 前者相差 不大 。 斯捷潘諾夫 16在 討論功率平衡 的時(shí)候 ， 是 根據(jù)比轉(zhuǎn)速為 140 的雙吸泵的試驗(yàn)資料 來 推斷，在離心泵效率 的 最高點(diǎn)時(shí)葉輪水力損失 和 蝸殼的水力損失各 自 占一半 ，而且 主要 是 為摩擦損失。這 一個(gè) 觀點(diǎn) 通常是 在對離心泵 的 設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行性能預(yù)測時(shí) 被拿來 參考。對于某一 個(gè) 離心泵而言，其容積效率 與 機(jī)械效率 的 一般變化不 會(huì)太 大， 所以 水力損失的準(zhǔn)確計(jì)算 顯得尤其 重要的， 而且 預(yù)測精度 的 影響也是最大的。 離心泵的容積損失 主要是 包括葉輪前密封環(huán)處的泄漏損失、級間泄漏損失 以及 軸向平衡機(jī)構(gòu)處的泄漏損失。對單級離心泵 而言 ，若 是 只考慮密封環(huán)處的泄漏，那么 其容積效率 就 可以直接 采取 洛馬金容積效率公式 來 估算 17。離心泵的機(jī)械損失 指的是 機(jī)械摩擦 所 引起的功率損失。一般 是 分為兩種，一種是軸承、軸封等部位的固體摩擦損失， 通常是 認(rèn)為這部分損失 為 軸功率的 1%到 3%；另一種 則是葉輪 在 旋轉(zhuǎn)時(shí)，其蓋板外側(cè) 以及 外緣與介質(zhì)摩擦引起的損失， 這被 稱為圓盤摩擦損失，其大小 一般是和 葉輪外徑的五次方 來 成正比， 而且 比轉(zhuǎn)速越低 時(shí) ，圓盤的 摩擦損失就 會(huì) 越大。若 只是 考慮圓盤 的 摩擦損失，機(jī)械效率 就 可以 使用 洛馬金第 1 章 緒論 4 機(jī)械效率公式 來 估算。 水力損失法的優(yōu)點(diǎn) 主要是能夠 全面 地 考慮泵 里面 各種因素的影響， 所以 在實(shí)際工程中 具有 一定的實(shí)用性 與 準(zhǔn)確性。 不過 該方法的缺點(diǎn) 就 是 在 應(yīng)用損失法時(shí)總是 要對某一具體的泵 來 進(jìn)行一些條件簡化 ，從而來 建立水力損失模型， 之后 再計(jì)算 出 各種水力損失， 所以 其計(jì)算復(fù)雜 ，而且也 不具有普遍性。 1.1.2 流場分析法 流場分析法的實(shí)質(zhì) 其實(shí) 就是建立 起 泵 的 內(nèi)部流場特征 和 泵 的 外特性之間的關(guān)系， 它 是水泵研究領(lǐng)域中一個(gè) 非常 重要的課題， 其 主要 是 包括兩方面的問題：一 方面 是獲得泵 的 內(nèi)部流場的特征； 另一個(gè)方面則 是建立泵 的 外特性 和 內(nèi)部流場之間的關(guān)系。目前 來說 ，國內(nèi)外對 于 前者所做的研究 相對較 多， 并且還 取得了 比較豐富的研究成果， 相反， 對后者的研究則 顯得比較 少， 目前還是 處于起步階段。 離心泵 的 內(nèi)部流場的數(shù)值模擬 主要是 包括對離心泵 的 葉輪、吸入室 以及 壓水室 的 內(nèi)流場的模擬 ，而且 為了 能夠 保證 其 性能預(yù)測的精度，一般 都是要 進(jìn)行全三維 的 粘性數(shù)值模擬。 不過考慮到 泵的 內(nèi)部 流動(dòng)一般都是湍流， 此外， 對湍流的數(shù)值模擬是 CFD(Computational Fluid Dynamics)的一個(gè) 熱 點(diǎn)和 難 點(diǎn)， 所 以 要對離心泵 的 內(nèi)流場 來 進(jìn)行準(zhǔn)確的全三維 的 湍流數(shù)值模擬還 是有一定 的困難。文獻(xiàn) 18對離心泵內(nèi) 的 三維 的 湍流數(shù)值模擬方法作了 比 較詳細(xì)的介紹。目前 來說， 湍流的數(shù)值模擬 的 方法主要 是 有三種：一 就 是直接模擬 (DNS)， 但是 由于計(jì)算機(jī) 的 速度 以及 容量的限制， 所以這種 方法在工程中 的 應(yīng)用 還是比 較少；二是大渦模擬 (Large Eddy Simulation)， 此方 法 是 通過某種濾波 的 方法將湍流運(yùn)動(dòng)分解 為 高度各 向 異性的大尺度渦 與 大致各 向 同性的小尺度渦，對 與 前者 ，能夠 通過數(shù)值求解微分方程的方法 進(jìn)行直接計(jì)算， 不過 后者對前者的影響 而是 通過 近似模擬來處理， 不過跟直接模擬一樣 ，都是 需要比較大的計(jì)算機(jī)容量 以及 很快的處理器；三 則 是雷諾(Reynolds)時(shí)均法，目前 來說， 這是流體機(jī)械中 經(jīng)常被 采用的方法，該法 是 將 N-S方程 ，來對 時(shí)間作平均， 來 求解 出 工程中感興趣的時(shí)均量，但 是 需要 利用 湍流模型來封閉方程組。由于 k-雙方程湍流模型 具 有 比 較好的精度 與 通用性 ，而且 計(jì)算量又不 算是太 大，所以 就 成為 了 研究最多、 而且 應(yīng)用最為廣泛的模型之一。不管采用 的是哪 一種計(jì)算方法，計(jì)算過程 全部 都是由計(jì)算機(jī) 來 完成的， 包含建立模型 、網(wǎng)格劃分、求解 以及 流場分析等一系列 的 過程。目前 來說， 很多 的 商業(yè) CFD南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 軟件 ，比 如 FLUENT、 STARCD、 FIDAP 等 等 都可以 用來 進(jìn)行三維湍流計(jì)算， 而且具有 較高 的精度。 用流場分析法來預(yù)測 離心 泵性能的關(guān)鍵 在于 如何建立 離心 泵 的內(nèi)部流動(dòng) 特征 與 外特性之間的關(guān)系。目前國內(nèi)外 在 這方面的研究成果 還是比較 少 的 ，從初步的 研究成果來看 19-26，這一方法 的確是 可行的。一旦能夠建立 起離心 泵內(nèi)外特性之間準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)表達(dá)式， 那么離心 泵性能預(yù)測的精度 就能夠 有一個(gè) 比較 大的提升，同時(shí) 還能夠 使 離心 泵內(nèi) 部 流 動(dòng) 研究 與 工程應(yīng)用 之間的 結(jié)合 更加 緊密。文獻(xiàn) 19在仔細(xì)分析 與 研究了 26 個(gè)離心泵水力模 型的基礎(chǔ)上， 再 通過回歸分析 的方法，初步建立 起 了平均減速比、葉片負(fù)荷系數(shù)、初始變化率等 內(nèi)部流動(dòng) 特征參數(shù) 和 設(shè)計(jì)工況點(diǎn)效率的相對值、高效區(qū)寬廣度、駝峰系數(shù)等外特性之間的關(guān)系，并 且 給出了數(shù)學(xué)表達(dá)式， 從而 實(shí)現(xiàn)了離心泵內(nèi)外特性的統(tǒng)一， 也使得 流動(dòng)計(jì)算 與 離心泵性能預(yù)測 能夠 有機(jī) 地 結(jié)合起來， 從而 為分析 與 預(yù)測離心泵 的 性能提供了一種新途徑。文獻(xiàn) 20是 應(yīng)用 N-S 方程 與 標(biāo)準(zhǔn) k-湍流模型， 利 用 SIMPLEC 算法 來 計(jì)算了水泵水輪機(jī) 的 內(nèi)部流場， 再利用所 計(jì)算出的葉輪壓力場 遇 速度場的值，采用伯努利方程 來 計(jì)算 出 泵的實(shí)際揚(yáng)程，同時(shí) 利用 泵的基本 方程 來 計(jì)算理論揚(yáng)程， 從而 獲得 了 水力效率 和 軸功率， 然后 再利用不同工況下的數(shù)值模擬 的 結(jié)果 來 得到 離心泵在 非設(shè)計(jì)工況的外特性值。文獻(xiàn) 21則 是 利用 了 已知的速度場和壓力場， 采用 邊界層理論 來 直接計(jì)算 出 了混流泵的水力損失，從而 能夠 完成對混流泵的性能預(yù)測，這 種方法 為用流場分析法 來 預(yù)測離心泵的性能提供 出 了一種新 的 思路， 就是可以在分析 離心泵 內(nèi)部流場的基礎(chǔ)上 ， 再 來 計(jì)算 離心泵 的水力損失，從而 能夠 建立 其離心 泵內(nèi)外特性的關(guān)系， 最終 實(shí)現(xiàn) 離心 泵的性能預(yù)測。文獻(xiàn) 22則 是利 用流場的數(shù)值模擬結(jié)果分析了離心泵內(nèi) 部 的汽蝕情況。 由此 可見泵的各種 外特性都 能夠 通過內(nèi)部流場的分析 來 預(yù)先判斷出其性能 的 優(yōu)劣。 應(yīng)用流場的數(shù)值模擬 來 進(jìn)行 離心 泵性能預(yù)測的優(yōu)點(diǎn)是只要 是所 建立的內(nèi)外特性的關(guān)系準(zhǔn)確， 那么 其預(yù)測精度 就會(huì) 比水力損失法 與 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法都要高。但 是目前 此 方法還有 有 很多地方有待研究， 比如 現(xiàn)有方法在設(shè)計(jì)工況附近 的 精度相對較 來說比較 高 但是 在非設(shè)計(jì)工況點(diǎn) ， 尤其是 在 小流量工況下 的 精度較低，而且目前的計(jì)算只是 用來 單獨(dú)計(jì)算葉輪 的 內(nèi)部流場，并 沒有 考慮壓水室等過流部件的影響， 而且 對二次流和回流等流動(dòng)因素也 沒有 考慮。 目前來說，利 用流場分析法 來第 1 章 緒論 6 預(yù)測 離心 泵的性能 才 處于剛剛起步的階段，是 未來 離心 泵性能預(yù)測發(fā)展的主要方向。 1.1.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (Artificial Neural Network， ANN)又被 稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (Neural Network.NN)，是 把 大量 的 處理單元廣泛互連而成的網(wǎng)絡(luò)，是對人腦的抽象、簡化和模擬，反映 的是 人腦的基本特性。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力 主要 有三個(gè)顯著的特點(diǎn)：一 就 是它的非線性特性；二 則 是大量的并行分布結(jié)構(gòu)；三是 它 的學(xué)習(xí) 與歸納能力。歸納 指的是 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí) (訓(xùn)練 )過程中能 夠 為新的輸入產(chǎn)生合理的輸出。 當(dāng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 具有了這些特性 ，那么就 能夠解決許多復(fù) 雜的問題。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 具有 多種結(jié)構(gòu)形式，其中 BP(Back Propagation)網(wǎng)絡(luò) ， 即 所謂的 誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由于 其 算法清楚，學(xué)習(xí)精度 比 較高， 與此 同時(shí)它還 擁有優(yōu)良的函數(shù)逼近特性 與 非線性映射 的 能力， 所以 在 離心 泵 的 性能預(yù)測中得到了廣泛的 應(yīng)用。 BP 網(wǎng)絡(luò)是 一種 典型的多層網(wǎng)絡(luò)，一般包含 以下 三層 :輸入層，隱含層 與 輸出層。 在 BP 網(wǎng)絡(luò)中，層與層 之間主要是 采用全互連方式，但 是在 同一層間的節(jié)點(diǎn)之間 并 不存在相互連接。 BP 網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程包括信息 的 正向傳播 與 誤差 的 反向傳播兩個(gè)過程。 所以在 給定 了 一個(gè)輸入模式 的時(shí)候 ，輸入信 號 從 輸入層到輸出層的傳遞 過程 是一個(gè)前向傳播的過程， 倘若 輸出信號 和 期望信號 之間 有差別，即存在誤差，那么就 會(huì) 轉(zhuǎn)入誤差 的 反向傳播過程，并 能夠 根據(jù)各層 的 誤差大小來 調(diào)整各層的權(quán)值，直至 最后 輸出期望結(jié)果。 BP 網(wǎng)絡(luò) 其實(shí) 在本質(zhì)上是一種 由 輸入到輸出的映射， 其可以 學(xué)習(xí)大量的輸入 與 輸出之間的映射關(guān)系， 并且 不需要任何 的 輸入 與 輸出之間 的 精確數(shù)學(xué)表達(dá)式，只 需要 用已知的模式 來 對 BP 網(wǎng)絡(luò) 進(jìn)行一定的訓(xùn)練，網(wǎng)絡(luò)就 擁有了 輸入 與 輸出對之間的映射能力。這其中的關(guān)鍵 之處是 中間層的學(xué)習(xí)規(guī)則，中間層 則是 相當(dāng)于一個(gè)特征抽出器。 在利用 BP 網(wǎng)絡(luò) 來 進(jìn)行泵性能預(yù) 測時(shí)，首先 是 要選取大量 的 優(yōu)秀的水力模型來 對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。 當(dāng) 對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了 一定的 訓(xùn)練之后，還 需要 再用 許多 優(yōu)秀 的 水力模型 繼續(xù) 對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行校驗(yàn)。 假如 誤差在 可 控制 的 范圍之內(nèi) ，那么就可以 用來進(jìn)行性能預(yù)測，否則 的話需 要繼續(xù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。 此外 要注意的是，在 使 用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能預(yù)測時(shí)，輸入模式的選取在 一定的 程度上 能夠 影響著預(yù)測的精度。 所南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 以 在具體 的 應(yīng)用時(shí)一定要對輸入模式給予充分的重視。目前 來說， 大多數(shù)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 來 預(yù)測 離心 泵性能的研究都是 在 現(xiàn)有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)商業(yè)軟件 的基礎(chǔ)上來 完成的。 比如 文獻(xiàn) 27應(yīng)用 了 Neuro She112 軟件 ，并且 采用 了 BP 網(wǎng)絡(luò) 來 對離心泵的性能進(jìn)行了預(yù)測，其 最終的 結(jié)果 也 具有一定的精度；文獻(xiàn) 28則 是 利用 了 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測了水泵的全性能曲線，其 最終的 結(jié)果 也是讓 人滿意。 除了 以上的 三種主要方法外，文獻(xiàn) 29中利用 基于面積比原理 來 預(yù)測了 離心泵的揚(yáng)程和效率，文獻(xiàn) 30則是 通過泵葉輪和壓水室的匹配特性 來 預(yù)測了 離心 泵的最高效率點(diǎn)。從本質(zhì)上 來 講 ， 這兩種方法 其實(shí) 是一樣的，都是從研究 離心泵的葉輪 和 壓水室 的 匹配程度出發(fā)來進(jìn)行性能預(yù)測。 由于 面積比在 0.6 1.0 這樣一個(gè)大范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，離心泵均能 夠 獲得較好的性能， 所以 離心泵對面 積比這 個(gè) 一參數(shù)并不是很敏感， 而 且其預(yù)測的 只 是高效點(diǎn)區(qū)域。 因此在 近年來面積比 這種方法并 沒有 被廣泛 地 應(yīng)用于性能預(yù)測，但 是 從面積比原理可知，一臺(tái)性能優(yōu)良的 離心泵是 泵的 葉輪 和 壓水室達(dá)到良好 的 藕合的結(jié)果。 1.2 離心泵 的 外特性研究方法 1.2.1 基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的泵外特性預(yù)測方法 基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的泵外特性 的 預(yù)測方法 其實(shí)就 是通過對 離心 泵真機(jī) 與 模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì) 的 總結(jié)， 從而 獲得 了離心 泵的性能參數(shù) 和 幾何參數(shù)之間的關(guān)系， 從而 為今后 能夠 有效 與 合理地進(jìn)行新 的離心 泵 的 設(shè)計(jì)提供 了 可靠的實(shí)踐依據(jù) 。 雖然現(xiàn)代 CFD 技術(shù)已經(jīng)在 離心 泵 的 內(nèi)部流場分 析 以及 性能預(yù)測 的 領(lǐng)域發(fā)揮了 越來越大的作用，但是基于統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的 離心 泵外特性預(yù)測方法所 起 的重要作用 仍舊是不能 忽視 的 。這 主要是由于 對于 CFD 技術(shù)而言，其 主要的 優(yōu)勢 是 在于分析流動(dòng)結(jié)構(gòu) 與 流態(tài)等細(xì)節(jié)，對 離心 泵 的 外特性的預(yù)測需要在其前處理 的 過程中完全確認(rèn) 離心 泵 的 水力設(shè)計(jì)的所有細(xì)節(jié)， 而 這種過程本身就是被動(dòng)的。 此外 對于一般的 離心 泵水力設(shè)計(jì)師而言，在 離心 泵 的 外特性預(yù)測中 使用 CFD 技術(shù) 這是要 需要一定的相關(guān)基礎(chǔ)知識， 而且 在 離心 泵的設(shè)計(jì) 與 基于 CFD 性能預(yù)測的技術(shù)之間的接口處理 還需要 更進(jìn)一步簡易化。與 CFD 技術(shù)的這些弱點(diǎn)相比，基于 統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的 離心 泵外特性預(yù)測方法是主動(dòng)的，這些方法 大多數(shù)是 來自于 離心 泵水力設(shè)計(jì)實(shí)踐，用于新 的離心 泵的水力設(shè)計(jì)，即根據(jù)用戶需求的 離心 泵 的 性能參第 1 章 緒論 8 數(shù)或者 是 曲線直接決定 了 泵的水力設(shè)計(jì)參數(shù)，是與 離心 泵的反問題 水力設(shè)計(jì)相 同步的。同時(shí)， 考慮到 這些數(shù)據(jù) 是 直接來自于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，因此其中都綜合包含了各種 各樣的 因素的影響，相比于 CFD 技術(shù)在前處理中分別 需要 考慮各種因素或者 是 忽略某些因素的影響 (比如 水力效率、機(jī)械效率、容積效率甚至粗糙度等 )，這些來自于試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)更 加容易 為 離心 泵 的 水力設(shè)計(jì)師 縮 信任、接受 與 應(yīng)用31。 1.2.2 離心泵性能預(yù)測的發(fā)展趨勢 目前 來說 ，預(yù)測離心泵性能的主要方法 包括 流場分析法、水力損失法 與 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。雖然水力損失法 已經(jīng) 經(jīng)過 了 幾十年的發(fā)展，但 是其 預(yù)測精度還 是有 待于進(jìn)一步 的 提高。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法目前 來說，其預(yù) 測精度不高， 而且 精度的提高在 一定程度上 主要 依賴于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)科的發(fā)展。對于研究 離心 泵的工作者 來說 ，最具 有 發(fā)展?jié)摿Φ?則 是流場分析法。從 之前 的分析中 能夠得到 在流場分析預(yù)測 離心泵性能方面 仍舊 有 大量的 研究工作要做，而且 其 發(fā)展 的 方向也是多樣化的。因此可以預(yù)言，將來在 離心 泵性能預(yù)測 的 領(lǐng)域里，流場分析法必將成為 最主要 而且是最有效的方法之一。南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 2 章 熔鹽泵幾何模型建立以及數(shù)值計(jì)算技術(shù) 目前來說，熔鹽泵內(nèi)部流場分析的主要方法還是計(jì)算流體力學(xué)（ CFD）。簡單說來， CFD 就是通過建造一系列關(guān)于流體流動(dòng)的動(dòng)力模型，來對熔鹽泵的內(nèi)部流場特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬與分析。 本章內(nèi)容簡要介紹下 CFD 的基本知識，闡述如何利用 Pro-e 建立幾何模型，以及通過 Gambit 對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后，通過流體力學(xué)軟件 FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬。 2.1 CFD 數(shù)值模擬基本理論 2.1.1 計(jì)算流體力學(xué)簡介 計(jì)算流體力學(xué)（英文全稱為 :Computational Fluid Dynamics，簡稱 CFD），在20 世紀(jì)初誕生，但是直到 20 世紀(jì) 60 年代，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，其才得以蓬勃發(fā)展，應(yīng)用范圍開始變廣。 流體動(dòng)力學(xué)是由理論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體力學(xué)這三個(gè)分支學(xué)科組成。理論流體力學(xué)的主要任務(wù)是通過研究流體運(yùn)動(dòng)的物理規(guī)律，然后建立成一個(gè)解釋規(guī)律嚴(yán)謹(jǐn)并且完備的連續(xù)介質(zhì)數(shù)學(xué)模型，并在一些假定的條件下，計(jì)算出封閉條件下的解析解；實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)是以相似理論為基礎(chǔ)，主要來研究實(shí)驗(yàn)方法、設(shè)施、儀器和數(shù)據(jù)處理等一些內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是比較真實(shí)可信，是用來檢驗(yàn)理論以及計(jì)算結(jié)果的一種 重要標(biāo)準(zhǔn)，但是由于實(shí)驗(yàn)耗資比較大，而且實(shí)驗(yàn)條件又容易受到許多限制；計(jì)算流體力學(xué)，它是以經(jīng)典流體動(dòng)力學(xué)以及數(shù)值計(jì)算方法為基礎(chǔ)的新型獨(dú)立學(xué)科，利用離散化的數(shù)值方法，通過電子計(jì)算機(jī)，對流體力學(xué)里面的問題來進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，從而實(shí)現(xiàn)對物理現(xiàn)象研究的目標(biāo)。 采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對工程流動(dòng)問題進(jìn)行數(shù)值模擬，包括以下幾個(gè)步驟 32： 首先，要建立能夠反映出問題（工程問題、物理問題）本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。 其次，建立數(shù)學(xué)模型后，接下來需要解決的就是尋求高效率、高準(zhǔn)確度的計(jì)算方法。 再次，確定了計(jì)算方法和坐標(biāo)系統(tǒng)之后，就是整個(gè)工 作的主體任務(wù)：編制程序和進(jìn)行計(jì)算。 第 2 章 熔鹽泵幾何模 型建立以及數(shù)值計(jì)算技術(shù) 10 最后，顯示計(jì)算結(jié)果。 2.1.2 流動(dòng)控制方程 （ 1） 連續(xù)性方程 連續(xù)性方程就是我們所說的質(zhì)量守恒方程。該定律可以做如下表述：在一個(gè)確定的流體微元體內(nèi)，單位時(shí)間內(nèi)增加的質(zhì)量，等于在相同的單位時(shí)間內(nèi)流入該流體微元體內(nèi)的凈質(zhì)量。由此，可以得出質(zhì)量守恒方程： 0 zwy vx ut （ 2-1） 使用散度符號，上式記為： 0)( udivtp （ 2-2） （ 2） 動(dòng)量方程 動(dòng)量方程又稱納維 -斯托克斯方程（英文名： Navier-Stokes equations），是在牛頓第二定律的基礎(chǔ)上演變而來的，其反映了在流體流動(dòng)過程中，動(dòng)量始終守恒的性質(zhì)。對于流體來說，可以得出其動(dòng)量方程： xe f fe f fe f f Szuzyuyxuxzwuyvuxuutu （ 2-3a） ye f fe f fe f f Szvzyvyxvxzwvyvvxuvtv （ 2-3b） ze f fe f fe f f Szwzywyxwxzwwyvwxuwtw （ 2-3c） （ 3） 能量方程 能量方程即所謂的熱力學(xué)第一定律?？梢院唵伪硎鰹椋涸诹黧w熱力學(xué)系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)的能量增量，等于系統(tǒng)傳遞到外界的能量與外界對系統(tǒng)做的功之和。能量方程可具體表述為： Sc tPTg r a dkd i vTud i vt T ）（）（ （ 2-4） 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 式中 cp比熱容； T溫度； K流體介質(zhì)的傳熱系數(shù)； St粘性耗散項(xiàng)。 2.1.3 標(biāo)準(zhǔn) k-s 湍流模型 該模型是由 Launder 和 Spalding 在 1972 年提出的，它是以基本控制方程為基礎(chǔ)，將湍動(dòng)能 k 方程和湍動(dòng)耗散率 方程相結(jié)合而組成的完整的湍流模型。 湍動(dòng)能方程： SYGGxxx u kmbkjktjii kktk )(）（）（ （ 2-5） 耗散方程： SCGCGCxxx u 2bbjktjiikkt 231)( ）（）（）（ （ 2-6） 其中， Gk 是由平均速度梯度所引起的湍動(dòng)能 k 的產(chǎn)生項(xiàng)， Gb 是由浮力所引起的湍動(dòng)能 k 的產(chǎn)生項(xiàng)， Ym 表示由可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張所引起的貢獻(xiàn)， C1， C2是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)， k 和 分別為與湍動(dòng)能 k 和耗散率 所對應(yīng)的 Prandtl 數(shù)， Sk 和 S為用戶定義的源項(xiàng)。在 CFD 軟件 FLUENT 中，這些參數(shù)都是系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置好的，使用者也可自設(shè)定相關(guān)參數(shù)。 2.1.4 流場計(jì)算的 SIMPLE 算法 SIMPLE 算法是由 Patankar 與 SPalding 在 1972 年提出的，它是 semi-implieit method for pressure-linked equations 的簡稱，可以解釋為 “求解壓力耦合方程組的半隱式方法 ”。 在目前的工程應(yīng)用上， SIMPLE 算法是應(yīng)用最為廣泛的一種算法。該算法的基本思想可以這樣闡述：給定壓力場的條件下，可通過求解離散形式的動(dòng)量方程來求得速度場。由于在很多時(shí)候，壓力場是假設(shè)的或者是不精確的，所以一般情況下由該壓力場求得的速度場并不滿足連續(xù)方程，所以為了滿足連續(xù)方程，需要將給定的壓力場進(jìn)行修正。 第 2 章 熔鹽泵幾何模型建立以