轴流泵是一种量大面广的水泵产品,在大型调水工程、灌溉工程及城镇给排水工程中应用广泛,也常被用作船舶和两栖车辆的推进器,因此,对其效率等性能指标进行深入研究显得尤为重要。本文针对目前轴流泵设计和分析过程中存在的主要问题,建立了完整的计算机辅助设计(CAD)系统,并通过计算流体动力学(CFD)手段,建立了分析和预测轴流泵内部流场及外特性的基本方法。应用实践表明,所提出的轴流泵CAD-CFD系统可快速、高效地完成主要过流部件的2D水力设计、3D实体造型,并可根据CFD分析结果快速判断CAD的设计质量,从而开发出高性能的水泵产品。本文的主要研究内容和取得的主要成果包括: 采用在CAD中的具有突出优势的面向对象技术,提出了将水力设计中内部数据和方法、外部图形表示及人机交互完整封装的新策略,给出了具体的CAD系统结构图及实施方案。在此基础上,研究了基于特征的自动和半自动建模方法,重点研究了参数化驱动、特征描述法和自定义特征法的特点并综合运用,给出了叶片和其他部件的建模实例以及核心代码,填补了轴流泵三维建模的空白,也为其他流体机械的建模提供了参考。 采用多种计算模式对轴流泵流场进行不同方案的数值计算。研究表明:(1)单通道方案具有简单快速的特点,而全流道计算虽然计算量大,但是预测结果更接近实验值;(2)计算区域的进口采用均匀速度进口、位置选为泵的进口是合适的;(3)计算区域的出口条件采用充分发展流,位置相对泵的出口延伸约叶轮直径的10%时,可取得最佳的计算结果;(4)局部加密对轴流泵的计算精度有比较重要的影响,在网格总节点数基本保持不变的前提下,对叶片附近进行细密的网格划分,可明显提高计算精度。文中选择了一低扬程轴流泵作为实例,预测了泵的内部流场特性及其外性能,并将外特性和实验值进行了对比,在采用全流道方案、近叶片区局部加密的前提下,采用约20万混合节点的网格模型时,扬程预测值相对实验值的误差的绝对值在4.5%以内,功率误差约为3.1%,总效率误差约为4.1%。研究还发现,叶片正面和背面的速度、压力分布有着明显的规律,背面的低压区和汽蚀区域相吻合;由于径向间隙的存在,叶片正面靠近轮缘处形成了狭长的带状低压区,叶片轮缘面的速度分布清楚的显示了间隙处的回流。 文中还对轴流泵设计有重要影响的流型进行了全面的分析和研究,指出现有等环量流型存在的不足,提出了改进流型设计:轴面速度在进口边前直线下降、出口边后呈抛物线分布、环量的分布规律由设计人员给定。与常规流型对比,改进流型设计更真实的反应了泵内的实际流动情况,改善了叶片的扭曲,提高了效率。 本文所取得的研究成果对于改善轴流泵设计手段、提高设计水平、改进泵的水力性能有重要的指导意义,具有广泛的工程应用前景。