阴离子交换器给水泵叶轮的设计与仿真分析.pdf

1 3 2 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g n&Ma n u f a c t u r e 第 3期 2 0 1 5年 3月 阴离子交换器给水泵叶轮 的设计与仿真分析 栾飞 ， 任琛 ， 苏伟 ， 王军 ( 1 ． 陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安7 1 0 0 2 1 ； 2 ． 长安大学 工程机械学院， 陕西 西安7 1 0 0 6 4 ； 3 ． 西安财经学院 信息学院， 陕西 西安7 1 0 1 0 0 ) 摘要： 针对传统阴离子交换器给水泵叶轮在结构和工作效率方面的不足， 以提 高机械效率为目标， 采用速度系数法对 叶轮的结构尺寸进行了设计计算， 在此基础上， 建立了叶轮流道的三维模型， 并利用C F D技术和F L U E N T软件对阴离子 交换 器给水泵内部流场进行 可压缩非稳 态流动 的数值模拟 ，运用 G A MB I T前处理软件对叶轮的三维流道模 型进行 了网 格划分， 设置好边界条件和控制方程后， 进行仿真实验， 得到叶轮在接近正常工作模式下的叶片的压力分布图， 流道的压 力分布图和速度分布图， 分析发现较传统的结构， 叶轮性能有 了明显提高， 最后将优化前后两种工作模式下的效率进行 了比较 。 从理论上验证 了优化设计方案的正确性和优越性。 关键词 ： 阴离子交换器给水泵 叶轮 ； 优化设计 ； CF D 中图分类号： T H1 6 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 1 — 3 9 9 7 ( 2 0 1 5 ) 0 3 — 0 1 3 2 — 0 3 Th e De s i g n a n d Si mu l a t i o n An a l y s i s o f F e e d W a t e r Pu mp I mp e l l e r o f An i o n E x c h a n g e r L UAN F e i ，R EN Ch e n ，S U We i ， W ANG J u n ( 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e r i n g ， S h a a n x i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y ， S h a a n x i X i ’ a n 7 1 0 0 2 1 C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f C o n s t r a c t i o n Ma c h i n e r y ，C h a n g’ a n Un i v e rsi t y ，S h a a n x i Xi ’ a n 7 1 0 0 6 4，C h i n a ； 3 ．S c h o o l o f I n f o r ma t i o n X i ’ a n U n i v e rs i t y o f F i n a n c e a n d E c o n o m i c s ， S h a a n x i X i ’ a n 7 1 0 1 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： A i mi n g a t t h e s h o r t c o mi n g s o ft h e t r a d i t i o n a l e d w at e r p u m p i m p e l l e r of a n i o n e x c h a n g e r i n t h e a s p e c t o fs t r u c t u r e a n d w o r k e f fic i e n c y ，b e i n g t h e g o al t o i m p r o v e t h e m e c h ani c al e ffic i e n c y ， i t u s e s t h e v e l o c i t y c o e ffic i e n t m e t h o d of i m p e l l e r d e s i g n ， t h e s t r u c t u r e s iz e ofi m p e l l e r p ass a g e o fa t h r e e — d i m e n s i o n a l m o d e l i s e s t a b l i s h e d ， a n d u s i n g t h e C F D t e c h n o l o g y a n d F L U E N T t o s i m u l at e t h e i n t e r n al fl o w fi e l d of a n i o n e x c h a n g e r f e e d p u m p i n c o m p r e s s i b l e u n s t e a d y fl o w，usi n g G A MB I T p r e t r e at me n t S O j ~ W O l "e f o r 3 D fl o w m o d e l of i m p e l l e r m e s h i n g ， s e t t i n g t h e b o u n d a r y c o n d i t i o ns and c o n t r o l e q u at i o n ，b y t h e s i mu l at i o n e x p e r i m e n t ， g e t t i n g i n c l o s e t o t h e n o r m al w o r k mo d e o fb l ade i m p e l l e r p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n ， p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n and v e l o c i t y d is t r i b u t i o n offlo w ． A n al y s is f o u n d t h at c o m p a r e d w i t h t h e t r a d i t i o n al s t r u c t u r e t h e i m p e l l e r p e 咖r m a n c e i s o b v i o u s l y i m p r o v e d ，t h e fin al w i l l b e t w o k i n d s o fw o r k i n g m o d e b e f o r e and e r o p t i m i z ati o n ，a n d t h e e ffic i e n c y o ft h e o p t i miz e d d e s i gn s c h e m e is v e r ifi e d t h e o r e t i c all y a n d s u p e r i o r i t y ． Ke y W o r d s ： Fe e d W a t e r P u mp I m p e l l e r o f An i o n Ex c h a n g e r ； I m p e l l e r ； Op t i ma l De s i g n；CF D 1 引言 阴离子交换器给水泵是用来输送工业用水 的，广泛应用于 石油 、 化工、 热电站或者生物医药中。作为流体机械中的重要部 件 ， 在实际运行中效率相对较低， 而其运行效率的高低很大程度 上取决于其关键部件叶轮的结构， 所以， 研究叶轮的有效设计方 法， 对于提高离心泵的工作效率具有重要的实际意义 。 目前， 离心 泵叶轮的优化方法主要有两种， 一种是速度系数法， 其中， 文献睬 用速度系数法 ， 以离心泵的效率和汽蚀性能为优化目标 ， 建立了 离心泵叶轮的优化数学模型， 实际计算证明这种方法优化的效果 较好。另一种方法是通过相似的离心泵叶轮， 或者放大或者放小 来达到所要求 的离心泵 叶轮 ， 这种方法称为相似换算法 。 应用速度系数法对传统的 I s型单级单吸给水泵进行参数 的优化设计， 接着计算出优化后叶轮的几何参数， 最后应用 C F D 技术及相关仿真软件进行叶轮的流场分析13 ] ， 从而验证了优化方 案 的可行性 。 2叶轮几何参数的计算与建模 在对叶轮结构进行优化设计时，是以提高叶轮的机械效率 为目标来建立优化模型的。对于机械效率， 影响其大小的因素主 来稿 日期 ： 2 0 1 4 — 0 8 — 1 4 基金项 目： 国家 自然基金项 目( U1 2 6 1 l l 1 ) ； 陕西省教育厅科技计划项 目( 2 0 1 3 J K1 0 4 2 ) 作者简 介 ： 栾飞 ， ( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 陕 西榆林人 ， 硕士 ， 讲 师， 主要研究方向 ： 机械结构分析 与优化设计 ， 系统建模与仿真