毕业论文—熔盐泵外特性曲线研究

南京工业大学本科生毕业设计（论文） I 摘要 近年来，随着石化工业和太阳能行业的飞速发展，熔盐泵作为输送熔盐的关键设备，需求量也快速上升。因为起步晚，我国的熔盐泵技术水平还是落后于德国、法国等发达国家。因此，提高国产熔盐泵的技术水平是一项非常有意义的工作。本文主要采用数值模拟的方法，考虑介质密度及粘度等因素，研究熔盐泵在输送变粘度流体下的外特性的影响规律，并提出数学公式，来代替传统的图表法，以修正熔盐泵输送粘性液体时的性能曲线。研究结果对熔盐泵的设计和运行具有借鉴意义。 本文的主要研究内容和结论如下： （ 1）泵在输送常温下的清水和熔融盐时，在相同 流量下 ,同一泵输送熔盐时的扬程要比输送清水时的要小点，不过在相同流量下同一泵输送熔盐时的轴功率要比输送清水时的要大。此外，输送熔融盐时的效率略低。可以看出粘度对于熔盐泵的外特性曲线还是有一定的影响的。 （ 2）将数值模拟所得到的扬程以及效率修正系数与美国水力协会换算图得到的数据结果进行比较发现，模拟出的扬程修正系数略低于查图所得的换算结果，但是各个换算系数曲线的走向是基本相同的。 （ 3）把修正的雷诺数的常用对数来作为自变量，把换算系数来作为应变量，提出熔盐泵和清水泵外特性参数的换算关系式，从而就能够求出泵在0.6Qopt-1.4Qopt流量范围内输送任意粘度介质时的效率、轴功率和扬程。 关键词： 熔盐泵 粘度 数值模拟 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 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 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 南京工业大学本科生毕业设计（论文） i 目 录 摘要 . I ABSTRACT . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 离心泵性能预测的主要方法 . 2 1.1.1 水力损失法 . 2 1.1.2 流场分 析法 . 4 1.2 离心泵外特性研究方法 . 7 1.2.1 基于统计数据的泵外特性预测方法 . 7 1.2.2 离心泵性能预测的发展趋势 . 8 第 2 章 熔盐泵几何模型建立以及数值计算技术 . 9 2.1 CFD 数值模拟基本理论 . 9 2.1.1 计算流体力学简介 . 9 2.1.2 流动控制方程 . 10 2.1.3 标准 k-s 湍流模型 . 11 2.1.4 流场计算的 SIMPLE 算法 . 11 2.2 熔盐泵三维建模及流场计算 . 12 2.2.1 Pro/E 三维建模软件的简介 . 12 2.2.2 熔盐泵参数 . 12 2.2.3 几何模型的建立 . 12 2.2.4 几何模型的处理 . 14 2.3 网格划分 . 14 2.3.1GAMBIT 软件简介 . 14 2.3.2 网格划分 . 15 2.4 边界条件的确定 . 16 2.4.1 进口边界条件 . 16 目录 ii 2.4.2 出口边界条件 . 17 2.4.3 壁面条件 . 17 2.4.4 交界面条件 . 17 第 3 章 熔盐泵外特性预测 . 18 3.1 熔盐泵定常性能预测 . 18 3.1.1 离心泵性能曲线 . 18 3.1.2 扬程预测 . 19 3.1.3 水力轴功率预测 . 19 3.1.4 水力效率预测 . 20 3.2 熔盐泵定常性能曲线 . 20 3.2.1 FLUENT 软件简介 . 20 3.2.2 扬程流量性能曲线图（ H Q） . 21 3.2.3 轴功率流量性能曲线图（ N Q） . 21 3.2.4 效率流量性能曲线图（ Q） . 22 第 4 章 熔盐泵外特性模型的修正 . 24 4.1 美国水力学 会的换算方法 . 24 4.2 熔盐泵外特性参数的公式化 . 27 4.3 公式验证 . 29 第 5 章 结论与展望 . 31 5.1 结论 . 31 5.2 展望 . 31 参考文献 . 33 致 谢 . 36 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪论 熔盐泵是一种应用广泛的工业机械。其在工业生产和国民经济等许多的部门都被广泛的使用。对输送变粘度流体的 熔盐泵外特性进行研究，有助于泵的优化设计以及对泵的运行特性进行改进。因此不但拥有理论意义，更是拥有重要的工程实用价值 1。 熔盐泵是一类专门来输送高温熔盐的泵，依据结构形式来划分，能够分成熔盐液下泵以及熔盐轴流泵，除此之外，还包括 RXB 型熔盐循环泵。 熔盐液下泵的特点是流量小，但是扬程高，其叶轮形式为离心式，在实际应用中，离心式的泵最广泛。 熔盐液下泵是熔盐泵系列的一种悬臂式的液下式熔盐泵，其特点是免维护，而且轴承是在液面上面，对于液面的下面，采用的是无密封形式。 熔盐液下泵的工作特点是高效、工作稳定、振 动非常小、噪音很低而且使用的寿命比较长、维修少、维护费用很低。熔盐液下泵是根据伸入容器内部的长短的不同的需求而制成的。 熔盐液下泵的工作部分是浸没在融化的熔盐内部，所以轴封没有熔盐迸溅的现象；熔盐液下泵在工作的时候，产生的轴向及径向力分别是由滚动轴承和滑动轴承来支撑的，所以工作时无噪音；温度比较高（ 400 度以上）的介质轴承箱构件处安装有冷却系统，热量被冷却水带走。 熔盐轴流泵是一种流量比较大，扬程比较小的熔盐泵，其叶轮形式是轴流式，主要是应用于化工行业里大流量的熔盐换热场合。 熔盐轴流泵是轴流式熔盐泵，其叶 轮是轴流式叶轮，也称为轴流熔盐泵。熔盐轴流泵在国内已经被应用了十几年。该类型的熔盐泵被广泛的应用于丙烯酸、苯酐、顺酐、福马酸、制冷剂等领域，并且在国内首次取代了进口设备。 RXB 熔盐循环泵为根据同样系统特殊设计的熔岩泵，其作用是熔盐循环 2。 熔盐泵具体的工作原理是：在启动前，泵体和进料关必须充满液态熔盐以形成真空状态，当叶轮高速旋转时，叶片带动液体快速旋转，由于离心力的作用，旋转着的高温熔盐会从泵体出液管中甩出去，泵体内的熔盐被抛出后，就会在叶第 1 章 绪论 2 轮中心的部分形成一块真空区域。熔盐受到大气压力的作用，从而通 过管网压到了泵体内。不停循环，就可以完成连续输送熔盐。 熔岩泵在启动之前，泵壳内充满了熔盐液体，所以在启动后，叶轮在熔盐泵泵轴带动下高速旋转，叶片间的液体也会随着旋转。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘，从而获得能量，然后以较快的速度离开叶轮的外缘，进入了蜗形泵壳里面。 在蜗壳中液体的速度由于流道的逐渐扩大而减小，而且把部分动能转化成静压能，最后以较高的压力进入排出管道，输送到需要的场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大 于 泵入口处的压力，液体便被连续压入 叶轮中 3。 泵性能参数有：流量、扬程、转速、汽蚀余量、功率和效率。泵 的 各个性能参数之间存在着一定的相互依赖变化关系，可以通过对泵进行试验，分别 来 测得和算出参数值，并画成曲线来表示，这些曲线称为泵的特性曲线。每一台泵都有特定的特性曲线，由泵制造厂提供。通常在工厂给出的特性曲线上还标明推荐使用的性能区段，称为该泵的工作范围。所以在设计时要充分考虑到泵的各种性能参数，特性曲线以及实际的工作环境 4。 高温熔盐的粘度对熔盐泵的性能影响是很大的，当粘度增加时，泵的扬程曲线下降，最佳工况的扬程和流量均随之下降，而 功率则随之上升，因为效率降低5。 所以 进行输送变粘度流体的熔盐泵外特性修正模型研究有着重要的意义。 1.1 离心泵性能预测的主要方法 1.1.1 水力损失法 水力损失法是 当 前预测离心泵性能最 惯 用的方法，它是 来 通过对各种水力损失的物理本质 以及 其影响因素的分析， 从而 寻求各种损失 与 泵 的 结构参数之间的关系， 而且能够 对流动作 相应 的假设 与 简化 ，以此 来建立水力损失模型。对 于那些 不同种类的水力损失 ，需要采 用不同的计算公式，最后 再 根据泵 的 基本方程 来求得性能参数。 所以 ，水力损失的计算就 成为了 了水力损失法的关键 之处 。文献6和 7对离心泵内 的 水力损失作了 陈述 。离心泵的水力损失主要 是指的是 吸入室、叶轮 以及 压水室内的水力损失，同时还有容积损失 以及 机械损失。 由于 吸入室 里面 的水力损失相对 于 总的水力损失 很小 ，通常是忽略不计的。南京工业大学本科生毕业设计（论文） 3 离心泵叶轮内的水力损失主要有叶轮进口处 的 液流冲击损失、叶轮流道内的水力摩擦损失 以及 扩散损失、液流 从 轴向变 成 径向的损失 和 叶轮出口处水力损失。叶轮内的水力损失 一共 有两种求法 :一是分别求 出 上述 的 各项水力损失 8-12；二是 对叶轮内的水力损失 进行 统一求解 13。近年来应用 比 较多的是 注要 前一种方法，而且大部分 都是 利用 半经 验半理论的公式 来 进行求解。 离心泵 的 压水室的主要结构形式是蜗壳。蜗壳 里面 的水力损失 一般 也 主要 有两种算法：一是 按照 损失 的 种类 分类为 蜗壳内 的 摩擦损失 与 蜗壳内 的 扩散损失来计算 14；二是按 照 蜗壳结构分为螺旋段部分 的 水力损失 与 扩散段部分 的 水力损失来计算， 之后 再按 照 损失种类分别计算，其中螺旋段 的 水力损失 包含有 沿程摩擦阻力损失 与 冲击混合损失，扩散段的水力损失 包含有 摩阻损失 与 扩散损失。这两种方法 相比较之下，其实没有 明显的优劣之分，主要的区别 在于 后者把扩散流道 里面 的水力损失计算得 相对 准确， 由于 扩散流道 里面 的流动比较简单， 很容易就 用水力学公式 来求解出 损失 并且 与实际吻合得较好， 不过 由于螺旋段的流动非常复杂， 所以 需要采用二维或 者是 准三维的方法来计算 15， 从而导致 后者的精度 和 前者相差 不大 。 斯捷潘诺夫 16在 讨论功率平衡 的时候 ， 是 根据比转速为 140 的双吸泵的试验资料 来 推断，在离心泵效率 的 最高点时叶轮水力损失 和 蜗壳的水力损失各 自 占一半 ，而且 主要 是 为摩擦损失。这 一个 观点 通常是 在对离心泵 的 设计点进行性能预测时 被拿来 参考。对于某一 个 离心泵而言，其容积效率 与 机械效率 的 一般变化不 会太 大， 所以 水力损失的准确计算 显得尤其 重要的， 而且 预测精度 的 影响也是最大的。 离心泵的容积损失 主要是 包括叶轮前密封环处的泄漏损失、级间泄漏损失 以及 轴向平衡机构处的泄漏损失。对单级离心泵 而言 ，若 是 只考虑密封环处的泄漏，那么 其容积效率 就 可以直接 采取 洛马金容积效率公式 来 估算 17。离心泵的机械损失 指的是 机械摩擦 所 引起的功率损失。一般 是 分为两种，一种是轴承、轴封等部位的固体摩擦损失， 通常是 认为这部分损失 为 轴功率的 1%到 3%；另一种 则是叶轮 在 旋转时，其盖板外侧 以及 外缘与介质摩擦引起的损失， 这被 称为圆盘摩擦损失，其大小 一般是和 叶轮外径的五次方 来 成正比， 而且 比转速越低 时 ，圆盘的 摩擦损失就 会 越大。若 只是 考虑圆盘 的 摩擦损失，机械效率 就 可以 使用 洛马金第 1 章 绪论 4 机械效率公式 来 估算。 水力损失法的优点 主要是能够 全面 地 考虑泵 里面 各种因素的影响， 所以 在实际工程中 具有 一定的实用性 与 准确性。 不过 该方法的缺点 就 是 在 应用损失法时总是 要对某一具体的泵 来 进行一些条件简化 ，从而来 建立水力损失模型， 之后 再计算 出 各种水力损失， 所以 其计算复杂 ，而且也 不具有普遍性。 1.1.2 流场分析法 流场分析法的实质 其实 就是建立 起 泵 的 内部流场特征 和 泵 的 外特性之间的关系， 它 是水泵研究领域中一个 非常 重要的课题， 其 主要 是 包括两方面的问题：一 方面 是获得泵 的 内部流场的特征； 另一个方面则 是建立泵 的 外特性 和 内部流场之间的关系。目前 来说 ，国内外对 于 前者所做的研究 相对较 多， 并且还 取得了 比较丰富的研究成果， 相反， 对后者的研究则 显得比较 少， 目前还是 处于起步阶段。 离心泵 的 内部流场的数值模拟 主要是 包括对离心泵 的 叶轮、吸入室 以及 压水室 的 内流场的模拟 ，而且 为了 能够 保证 其 性能预测的精度，一般 都是要 进行全三维 的 粘性数值模拟。 不过考虑到 泵的 内部 流动一般都是湍流， 此外， 对湍流的数值模拟是 CFD(Computational Fluid Dynamics)的一个 热 点和 难 点， 所 以 要对离心泵 的 内流场 来 进行准确的全三维 的 湍流数值模拟还 是有一定 的困难。文献 18对离心泵内 的 三维 的 湍流数值模拟方法作了 比 较详细的介绍。目前 来说， 湍流的数值模拟 的 方法主要 是 有三种：一 就 是直接模拟 (DNS)， 但是 由于计算机 的 速度 以及 容量的限制， 所以这种 方法在工程中 的 应用 还是比 较少；二是大涡模拟 (Large Eddy Simulation)， 此方 法 是 通过某种滤波 的 方法将湍流运动分解 为 高度各 向 异性的大尺度涡 与 大致各 向 同性的小尺度涡，对 与 前者 ，能够 通过数值求解微分方程的方法 进行直接计算， 不过 后者对前者的影响 而是 通过 近似模拟来处理， 不过跟直接模拟一样 ，都是 需要比较大的计算机容量 以及 很快的处理器；三 则 是雷诺(Reynolds)时均法，目前 来说， 这是流体机械中 经常被 采用的方法，该法 是 将 N-S方程 ，来对 时间作平均， 来 求解 出 工程中感兴趣的时均量，但 是 需要 利用 湍流模型来封闭方程组。由于 k-双方程湍流模型 具 有 比 较好的精度 与 通用性 ，而且 计算量又不 算是太 大，所以 就 成为 了 研究最多、 而且 应用最为广泛的模型之一。不管采用 的是哪 一种计算方法，计算过程 全部 都是由计算机 来 完成的， 包含建立模型 、网格划分、求解 以及 流场分析等一系列 的 过程。目前 来说， 很多 的 商业 CFD南京工业大学本科生毕业设计（论文） 5 软件 ，比 如 FLUENT、 STARCD、 FIDAP 等 等 都可以 用来 进行三维湍流计算， 而且具有 较高 的精度。 用流场分析法来预测 离心 泵性能的关键 在于 如何建立 离心 泵 的内部流动 特征 与 外特性之间的关系。目前国内外 在 这方面的研究成果 还是比较 少 的 ，从初步的 研究成果来看 19-26，这一方法 的确是 可行的。一旦能够建立 起离心 泵内外特性之间准确的数学表达式， 那么离心 泵性能预测的精度 就能够 有一个 比较 大的提升，同时 还能够 使 离心 泵内 部 流 动 研究 与 工程应用 之间的 结合 更加 紧密。文献 19在仔细分析 与 研究了 26 个离心泵水力模 型的基础上， 再 通过回归分析 的方法，初步建立 起 了平均减速比、叶片负荷系数、初始变化率等 内部流动 特征参数 和 设计工况点效率的相对值、高效区宽广度、驼峰系数等外特性之间的关系，并 且 给出了数学表达式， 从而 实现了离心泵内外特性的统一， 也使得 流动计算 与 离心泵性能预测 能够 有机 地 结合起来， 从而 为分析 与 预测离心泵 的 性能提供了一种新途径。文献 20是 应用 N-S 方程 与 标准 k-湍流模型， 利 用 SIMPLEC 算法 来 计算了水泵水轮机 的 内部流场， 再利用所 计算出的叶轮压力场 遇 速度场的值，采用伯努利方程 来 计算 出 泵的实际扬程，同时 利用 泵的基本 方程 来 计算理论扬程， 从而 获得 了 水力效率 和 轴功率， 然后 再利用不同工况下的数值模拟 的 结果 来 得到 离心泵在 非设计工况的外特性值。文献 21则 是 利用 了 已知的速度场和压力场， 采用 边界层理论 来 直接计算 出 了混流泵的水力损失，从而 能够 完成对混流泵的性能预测，这 种方法 为用流场分析法 来 预测离心泵的性能提供 出 了一种新 的 思路， 就是可以在分析 离心泵 内部流场的基础上 ， 再 来 计算 离心泵 的水力损失，从而 能够 建立 其离心 泵内外特性的关系， 最终 实现 离心 泵的性能预测。文献 22则 是利 用流场的数值模拟结果分析了离心泵内 部 的汽蚀情况。 由此 可见泵的各种 外特性都 能够 通过内部流场的分析 来 预先判断出其性能 的 优劣。 应用流场的数值模拟 来 进行 离心 泵性能预测的优点是只要 是所 建立的内外特性的关系准确， 那么 其预测精度 就会 比水力损失法 与 神经网络法都要高。但 是目前 此 方法还有 有 很多地方有待研究， 比如 现有方法在设计工况附近 的 精度相对较 来说比较 高 但是 在非设计工况点 ， 尤其是 在 小流量工况下 的 精度较低，而且目前的计算只是 用来 单独计算叶轮 的 内部流场，并 没有 考虑压水室等过流部件的影响， 而且 对二次流和回流等流动因素也 没有 考虑。 目前来说，利 用流场分析法 来第 1 章 绪论 6 预测 离心 泵的性能 才 处于刚刚起步的阶段，是 未来 离心 泵性能预测发展的主要方向。 1.1.3 神经网络法 人工神经网络 (Artificial Neural Network， ANN)又被 称为神经网络 (Neural Network.NN)，是 把 大量 的 处理单元广泛互连而成的网络，是对人脑的抽象、简化和模拟，反映 的是 人脑的基本特性。人工神经网络的计算能力 主要 有三个显著的特点：一 就 是它的非线性特性；二 则 是大量的并行分布结构；三是 它 的学习 与归纳能力。归纳 指的是 神经网络在学习 (训练 )过程中能 够 为新的输入产生合理的输出。 当人工神经网络 具有了这些特性 ，那么就 能够解决许多复 杂的问题。 人工神经网络 具有 多种结构形式，其中 BP(Back Propagation)网络 ， 即 所谓的 误差反向传播神经网络，由于 其 算法清楚，学习精度 比 较高， 与此 同时它还 拥有优良的函数逼近特性 与 非线性映射 的 能力， 所以 在 离心 泵 的 性能预测中得到了广泛的 应用。 BP 网络是 一种 典型的多层网络，一般包含 以下 三层 :输入层，隐含层 与 输出层。 在 BP 网络中，层与层 之间主要是 采用全互连方式，但 是在 同一层间的节点之间 并 不存在相互连接。 BP 网络的学习过程包括信息 的 正向传播 与 误差 的 反向传播两个过程。 所以在 给定 了 一个输入模式 的时候 ，输入信 号 从 输入层到输出层的传递 过程 是一个前向传播的过程， 倘若 输出信号 和 期望信号 之间 有差别，即存在误差，那么就 会 转入误差 的 反向传播过程，并 能够 根据各层 的 误差大小来 调整各层的权值，直至 最后 输出期望结果。 BP 网络 其实 在本质上是一种 由 输入到输出的映射， 其可以 学习大量的输入 与 输出之间的映射关系， 并且 不需要任何 的 输入 与 输出之间 的 精确数学表达式，只 需要 用已知的模式 来 对 BP 网络 进行一定的训练，网络就 拥有了 输入 与 输出对之间的映射能力。这其中的关键 之处是 中间层的学习规则，中间层 则是 相当于一个特征抽出器。 在利用 BP 网络 来 进行泵性能预 测时，首先 是 要选取大量 的 优秀的水力模型来 对网络进行训练。 当 对网络进行了 一定的 训练之后，还 需要 再用 许多 优秀 的 水力模型 继续 对网络进行校验。 假如 误差在 可 控制 的 范围之内 ，那么就可以 用来进行性能预测，否则 的话需 要继续训练网络。 此外 要注意的是，在 使 用 BP 神经网络进行性能预测时，输入模式的选取在 一定的 程度上 能够 影响着预测的精度。 所南京工业大学本科生毕业设计（论文） 7 以 在具体 的 应用时一定要对输入模式给予充分的重视。目前 来说， 大多数利用神经网络 来 预测 离心 泵性能的研究都是 在 现有的神经网络商业软件 的基础上来 完成的。 比如 文献 27应用 了 Neuro She112 软件 ，并且 采用 了 BP 网络 来 对离心泵的性能进行了预测，其 最终的 结果 也 具有一定的精度；文献 28则 是 利用 了 BP神经网络预测了水泵的全性能曲线，其 最终的 结果 也是让 人满意。 除了 以上的 三种主要方法外，文献 29中利用 基于面积比原理 来 预测了 离心泵的扬程和效率，文献 30则是 通过泵叶轮和压水室的匹配特性 来 预测了 离心 泵的最高效率点。从本质上 来 讲 ， 这两种方法 其实 是一样的，都是从研究 离心泵的叶轮 和 压水室 的 匹配程度出发来进行性能预测。 由于 面积比在 0.6 1.0 这样一个大范围内变动时，离心泵均能 够 获得较好的性能， 所以 离心泵对面 积比这 个 一参数并不是很敏感， 而 且其预测的 只 是高效点区域。 因此在 近年来面积比 这种方法并 没有 被广泛 地 应用于性能预测，但 是 从面积比原理可知，一台性能优良的 离心泵是 泵的 叶轮 和 压水室达到良好 的 藕合的结果。 1.2 离心泵 的 外特性研究方法 1.2.1 基于统计数据的泵外特性预测方法 基于统计数据的泵外特性 的 预测方法 其实就 是通过对 离心 泵真机 与 模型试验数据的统计 的 总结， 从而 获得 了离心 泵的性能参数 和 几何参数之间的关系， 从而 为今后 能够 有效 与 合理地进行新 的离心 泵 的 设计提供 了 可靠的实践依据 。 虽然现代 CFD 技术已经在 离心 泵 的 内部流场分 析 以及 性能预测 的 领域发挥了 越来越大的作用，但是基于统计试验数据的 离心 泵外特性预测方法所 起 的重要作用 仍旧是不能 忽视 的 。这 主要是由于 对于 CFD 技术而言，其 主要的 优势 是 在于分析流动结构 与 流态等细节，对 离心 泵 的 外特性的预测需要在其前处理 的 过程中完全确认 离心 泵 的 水力设计的所有细节， 而 这种过程本身就是被动的。 此外 对于一般的 离心 泵水力设计师而言，在 离心 泵 的 外特性预测中 使用 CFD 技术 这是要 需要一定的相关基础知识， 而且 在 离心 泵的设计 与 基于 CFD 性能预测的技术之间的接口处理 还需要 更进一步简易化。与 CFD 技术的这些弱点相比，基于 统计试验数据的 离心 泵外特性预测方法是主动的，这些方法 大多数是 来自于 离心 泵水力设计实践，用于新 的离心 泵的水力设计，即根据用户需求的 离心 泵 的 性能参第 1 章 绪论 8 数或者 是 曲线直接决定 了 泵的水力设计参数，是与 离心 泵的反问题 水力设计相 同步的。同时， 考虑到 这些数据 是 直接来自于统计数据，因此其中都综合包含了各种 各样的 因素的影响，相比于 CFD 技术在前处理中分别 需要 考虑各种因素或者 是 忽略某些因素的影响 (比如 水力效率、机械效率、容积效率甚至粗糙度等 )，这些来自于试验统计的数据更 加容易 为 离心 泵 的 水力设计师 缩 信任、接受 与 应用31。 1.2.2 离心泵性能预测的发展趋势 目前 来说 ，预测离心泵性能的主要方法 包括 流场分析法、水力损失法 与 神经网络法。虽然水力损失法 已经 经过 了 几十年的发展，但 是其 预测精度还 是有 待于进一步 的 提高。神经网络法目前 来说，其预 测精度不高， 而且 精度的提高在 一定程度上 主要 依赖于人工神经网络学科的发展。对于研究 离心 泵的工作者 来说 ，最具 有 发展潜力的 则 是流场分析法。从 之前 的分析中 能够得到 在流场分析预测 离心泵性能方面 仍旧 有 大量的 研究工作要做，而且 其 发展 的 方向也是多样化的。因此可以预言，将来在 离心 泵性能预测 的 领域里，流场分析法必将成为 最主要 而且是最有效的方法之一。南京工业大学本科生毕业设计（论文） 9 第 2 章 熔盐泵几何模型建立以及数值计算技术 目前来说，熔盐泵内部流场分析的主要方法还是计算流体力学（ CFD）。简单说来， CFD 就是通过建造一系列关于流体流动的动力模型，来对熔盐泵的内部流场特点进行数值模拟与分析。 本章内容简要介绍下 CFD 的基本知识，阐述如何利用 Pro-e 建立几何模型，以及通过 Gambit 对几何模型进行网格划分，最后，通过流体力学软件 FLUENT进行数值模拟。 2.1 CFD 数值模拟基本理论 2.1.1 计算流体力学简介 计算流体力学（英文全称为 :Computational Fluid Dynamics，简称 CFD），在20 世纪初诞生，但是直到 20 世纪 60 年代，由于计算机技术的飞速进步，其才得以蓬勃发展，应用范围开始变广。 流体动力学是由理论、实验和计算流体力学这三个分支学科组成。理论流体力学的主要任务是通过研究流体运动的物理规律，然后建立成一个解释规律严谨并且完备的连续介质数学模型，并在一些假定的条件下，计算出封闭条件下的解析解；实验流体力学是以相似理论为基础，主要来研究实验方法、设施、仪器和数据处理等一些内容。实验结果是比较真实可信，是用来检验理论以及计算结果的一种 重要标准，但是由于实验耗资比较大，而且实验条件又容易受到许多限制；计算流体力学，它是以经典流体动力学以及数值计算方法为基础的新型独立学科，利用离散化的数值方法，通过电子计算机，对流体力学里面的问题来进行数值模拟和分析，从而实现对物理现象研究的目标。 采用计算流体动力学对工程流动问题进行数值模拟，包括以下几个步骤 32： 首先，要建立能够反映出问题（工程问题、物理问题）本质的数学模型。 其次，建立数学模型后，接下来需要解决的就是寻求高效率、高准确度的计算方法。 再次，确定了计算方法和坐标系统之后，就是整个工 作的主体任务：编制程序和进行计算。 第 2 章 熔盐泵几何模 型建立以及数值计算技术 10 最后，显示计算结果。 2.1.2 流动控制方程 （ 1） 连续性方程 连续性方程就是我们所说的质量守恒方程。该定律可以做如下表述：在一个确定的流体微元体内，单位时间内增加的质量，等于在相同的单位时间内流入该流体微元体内的净质量。由此，可以得出质量守恒方程： 0 zwy vx ut （ 2-1） 使用散度符号，上式记为： 0)( udivtp （ 2-2） （ 2） 动量方程 动量方程又称纳维 -斯托克斯方程（英文名： Navier-Stokes equations），是在牛顿第二定律的基础上演变而来的，其反映了在流体流动过程中，动量始终守恒的性质。对于流体来说，可以得出其动量方程： 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 能量方程即所谓的热力学第一定律。可以简单表述为：在流体热力学系统中，系统内的能量增量，等于系统传递到外界的能量与外界对系统做的功之和。能量方程可具体表述为： Sc tPTg r a dkd i vTud i vt T ）（）（ （ 2-4） 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 11 式中 cp比热容； T温度； K流体介质的传热系数； St粘性耗散项。 2.1.3 标准 k-s 湍流模型 该模型是由 Launder 和 Spalding 在 1972 年提出的，它是以基本控制方程为基础，将湍动能 k 方程和湍动耗散率 方程相结合而组成的完整的湍流模型。 湍动能方程： 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动能 k 的产生项， Gb 是由浮力所引起的湍动能 k 的产生项， Ym 表示由可压湍流中脉动扩张所引起的贡献， C1， C2是经验常数， k 和 分别为与湍动能 k 和耗散率 所对应的 Prandtl 数， Sk 和 S为用户定义的源项。在 CFD 软件 FLUENT 中，这些参数都是系统默认设置好的，使用者也可自设定相关参数。 2.1.4 流场计算的 SIMPLE 算法 SIMPLE 算法是由 Patankar 与 SPalding 在 1972 年提出的，它是 semi-implieit method for pressure-linked equations 的简称，可以解释为 “求解压力耦合方程组的半隐式方法 ”。 在目前的工程应用上， SIMPLE 算法是应用最为广泛的一种算法。该算法的基本思想可以这样阐述：给定压力场的条件下，可通过求解离散形式的动量方程来求得速度场。由于在很多时候，压力场是假设的或者是不精确的，所以一般情况下由该压力场求得的速度场并不满足连续方程，所以为了满足连续方程，需要将给定的压力场进行修正。 第 2 章 熔盐泵几何模型建立以