离心泵内部流动数值分析及应用_朱祖超林培锋陈小平_9787111636229

本书以对我国经济建设和国家安全有着重要现实意义的流程离心泵和航天发动机离心泵为具体工程背景，从基础理论、数值模拟和内外特性实验等方面，对离心泵内部流动具有的跨尺度、非线性、动静干涉等特征开展了系统深入的研究，构建了适用于实际工况、计算效率适宜的湍流计算模型，获得了离心泵全流量工况、高精度的全流场信息，提出了内部流动不稳定的参数化表征和判断依据，建立了外特性不稳定表征与内部流动不稳定之间的关系，从而揭示了离心泵内部流动特性对外特性的影响规律，为完善高性能离心泵的设计开发和可靠运行提供了技术支撑。
本书可作为流体机械、叶轮机械教学和科研人员的参考书，也可为离心泵产品设计和实际应用的有关技术人员提供重要的借鉴和指导。

离心泵是石油化工、化工、煤化工和制药等流程领域的关键设备，它可以将液态工作介质加压输送至系统的各个生产环节和操作单元，是整个液体输送系统的心脏。随着流程工业和航天事业的发展，离心泵正在向大功率密度，即高速、高压和大型化方向发展。离心泵在运行过程中，必须要具备高效率、高抗汽蚀余量、低振动噪声和高工作稳定性等优越的外特性指标，而这些都是由离心泵的内部流动特性所决定的。在旋转和弯曲的作用下，离心泵内部流动呈现出明显的跨尺度、非线性、动静干涉和弱可压等特性，其流动非常复杂。离心泵的工作转速越高、叶轮级数越多、工作介质越特殊，其内部流动就越复杂。尽管国内外已针对离心泵内部流动开展了较多的理论分析和实验研究，但目前还未能很好地揭示离心泵内部非常复杂的流动特性机理。
本书以对我国经济建设和国家安全有着重要现实意义的流程离心泵和航天发动机离心泵为具体工程背景，从基础理论、数值模拟和内外特性实验等方面，对离心泵内部流动具有的跨尺度、非线性、动静干涉等特征开展了系统深入的研究，构建了适用于实际工况、计算效率适宜的湍流计算模型，获得了离心泵全流量工况、高精度的全流场信息，提出了内部流动不稳定的参数化表征和判断依据，建立了外特性不稳定表征与内部流动不稳定之间的关系，从而揭示了离心泵内部流动特性对外特性的影响规律，为完善高性能离心泵的设计开发和可靠运行提供了技术支撑。
本书在成书过程中，得到了浙江理工大学、浙江天德泵业有限公司和嘉利特荏原泵业有限公司等单位有关老师和科技人员的大力支持，他们包括任芸、窦华书、林哲、崔宝玲、李晓俊、陈德胜、张炜和贾晓奇等，在此一并表示衷心的感谢！
本书得到了国家自然科学基金项目（No51536008）和浙江省重点研发计划项目（No 2017C01021）的资助。
对于书中存在的缺点和错误，敬请读者批评指正。

朱祖超林培锋陈小平

前言

第1章绪论

11离心泵简介

12离心泵内部流动

121离心泵内部流动不稳定数值分析

122离心泵内部流动不稳定的表征

123离心泵内部不稳定流动实验

124离心泵的内外关联

125转速对高速离心泵内部流场的影响

126动静干涉对高速离心泵内部流场的影响

13空化流动与诱导轮

131空化模型和数值方法

132空化状态下诱导轮内气泡的演化规律

133来流含气对诱导轮空化发展的影响

134诱导轮低温介质的空化特性

135离心泵内的空化实验

14控制方程和湍流数值模型

141湍流RANS数值模型

142湍流LES数值模型

143湍流RANS/LES混合模型

144空化模型

第2章离心泵湍流模拟及发展

21湍流RANS模型

211基于SST k
湍流模型的改进

212基于k
湍流模型的PR修正

213联合考虑旋转和曲率的湍流模型改进

22湍流大涡模拟

221亚格子应力的螺旋度修正

222基于螺旋度修正的大涡模拟分析

23湍流混合模型

231基于IDDES的方法改进

232模型验证与结果分析

离心泵内部流动

数值分析及应用

目录

第3章离心泵内部流动不稳定表征

31能量梯度方法简介

311压力驱动流动

312剪切驱动流动

313通用能量梯度函数

32离心叶轮内能量梯度及其变化率

321能量梯度

322能量梯度变化率

33基于能量梯度的微型离心泵的不稳定流动表征

331几何模型和计算方法

332结果讨论及分析

34其他不稳定表征方法

341基于熵产分析方法的离心泵内不稳定流动的表征

342离心泵进口不稳定回流的形成和演化过程

343基于全局线性稳定性敏感性分析的不稳定流动模态表征

第4章空化流动与诱导轮

41基于OpenFOAM的绕水翼空化流动与湍动能输运分析

411绕水翼空化流动特性分析

412空化流动中湍动能输运分析

42诱导轮离心泵内空化流动特性

421无诱导轮离心泵内部流动的数值模拟

422诱导轮内部流动特性

423诱导轮离心泵空化特性的数值模拟

424诱导轮离心泵外特性和空化特性实验

第5章泵内数值模拟与性能预测

51模型泵数值方法及验证

511模型及方法

512模拟参数设置

513实验验证及分析

514数值结果分析

52模型泵性能预测及分析

521偏工况下离心泵内主流场的不稳定流动特性

522次流动区流动对瞬态压力脉动的影响

523振动能量与内部流动损失的分析

53大功率离心泵内部流动及分析

531两级高速离心泵的非定常流动分析

532五级离心泵内部的非定常流动分析

533十级离心泵内部的非定常流动分析

534十一级离心泵内部的非定常流动分析

参考文献

Contents

Preface

Chapter 1Introduction

11Introduction to centrifugal pumps

12Internal flow in centrifugal pumps

121Numerical analysis on the instability of internal flow in centrifugal
pumps

122Characterization of the instability of internal flow in centrifugal pumps

123Experiments on unstable flow in centrifugal pumps

124Correlation of internal flow and performance of centrifugal pumps

125Effect of rotation speed on internal flow in highspeed
centrifugal pumps

126Effect of rotorstator interaction on internal flow in highspeed
centrifugal pumps

13Cavitating flow and inducers

131Cavitation model and numerical methods

132Evolution patterns of bubbles in inducers under cavitation state

133Influence of incoming flow with gas on the development of
cavitation in inducers

134Cavitation characteristics of lowtemperature medium in inducers

135Experiments on cavitation in centrifugal pumps

14Governing equations and turbulence models

141RANS models

142LES model

143RANS/LES hybrid models

144Cavitation models

Chapter 2Turbulence Flow Simulations and Model Improvements

21RANS models

211Improvement based on the SST k turbulence model

212PR correction based on the k turbulence model

213Improvement of turbulence model considering joint effect of
rotation and curvature

Numerical Analysis on Internal Flow in

Centrifugal Pumps and Its Applications

Contents

22Large eddy simulation

221Helicity correction of SGS

222Large eddy simulation analysis based on the helic

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