離心泵內部流動數值分析及應用（簡體書）

朱祖超(1966-)，工學博士，教授、博導，浙江省錢江特聘教授，現為浙江理工大學流體傳輸系統技術國家地方聯合工程試驗室主任，主要從事流體傳輸技術的理論研究和工程技術開發。

離心泵是石油化工、化工、煤化工和製藥等流程領域的關鍵設備，它可以將液態工作介質加壓輸送至系統的各個生產環節和操作單元，是整個液體輸送系統的心臟。隨著流程工業和航天事業的發展，離心泵正在向大功率密度，即高速、高壓和大型化方向發展。離心泵在運行過程中，必須要具備高效率、高抗汽蝕餘量、低振動噪聲和高工作穩定性等優越的外特性指標，而這些都是由離心泵的內部流動特性所決定的。在旋轉和彎曲的作用下，離心泵內部流動呈現出明顯的跨尺度、非線性、動靜幹涉和弱可壓等特性，其流動非常復雜。離心泵的工作轉速越高、葉輪級數越多、工作介質越特殊，其內部流動就越復雜。盡管國內外已針對離心泵內部流動開展了較多的理論分析和實驗研究，但目前還未能很好地揭示離心泵內部非常復雜的流動特性機理。
本書以對我國經濟建設和國家安全有著重要現實意義的流程離心泵和航天發動機離心泵為具體工程背景，從基礎理論、數值模擬和內外特性實驗等方面，對離心泵內部流動具有的跨尺度、非線性、動靜幹涉等特征開展了系統深入的研究，構建了適用於實際工況、計算效率適宜的湍流計算模型，獲得了離心泵全流量工況、高精度的全流場信息，提出了內部流動不穩定的參數化表征和判斷依據，建立了外特性不穩定表征與內部流動不穩定之間的關係，從而揭示了離心泵內部流動特性對外特性的影響規律，為完善高性能離心泵的設計開發和可靠運行提供了技術支撐。
本書在成書過程中，得到了浙江理工大學、浙江天德泵業有限公司和嘉利特荏原泵業有限公司等單位有關老師和科技人員的大力支持，他們包括任蕓、竇華書、林哲、崔寶玲、李曉俊、陳德勝、張煒和賈曉奇等，在此一並表示衷心的感謝！
本書得到了國家自然科學基金項目（No51536008）和浙江省重點研發計劃項目（No 2017C01021）的資助。
對於書中存在的缺點和錯誤，敬請讀者批評指正。

朱祖超林培鋒陳小平

前言

第1章緒論

11離心泵簡介

12離心泵內部流動

121離心泵內部流動不穩定數值分析

122離心泵內部流動不穩定的表征

123離心泵內部不穩定流動實驗

124離心泵的內外關聯

125轉速對高速離心泵內部流場的影響

126動靜幹涉對高速離心泵內部流場的影響

13空化流動與誘導輪

131空化模型和數值方法

132空化狀態下誘導輪內氣泡的演化規律

133來流含氣對誘導輪空化發展的影響

134誘導輪低溫介質的空化特性

135離心泵內的空化實驗

14控制方程和湍流數值模型

141湍流RANS數值模型

142湍流LES數值模型

143湍流RANS/LES混合模型

144空化模型

第2章離心泵湍流模擬及發展

21湍流RANS模型

211基於SST kω
湍流模型的改進

212基於kω
湍流模型的PR修正

213聯合考慮旋轉和曲率的湍流模型改進

22湍流大渦模擬

221亞格子應力的螺旋度修正

222基於螺旋度修正的大渦模擬分析

23湍流混合模型

231基於IDDES的方法改進

232模型驗證與結果分析



離心泵內部流動

數值分析及應用




目錄

第3章離心泵內部流動不穩定表征

31能量梯度方法簡介

311壓力驅動流動

312剪切驅動流動

313通用能量梯度函數

32離心葉輪內能量梯度及其變化率

321能量梯度

322能量梯度變化率

33基於能量梯度的微型離心泵的不穩定流動表征

331幾何模型和計算方法

332結果討論及分析

34其他不穩定表征方法

341基於熵產分析方法的離心泵內不穩定流動的表征

342離心泵進口不穩定回流的形成和演化過程

343基於全局線性穩定性敏感性分析的不穩定流動模態表征

第4章空化流動與誘導輪

41基於OpenFOAM的繞水翼空化流動與湍動能輸運分析

411繞水翼空化流動特性分析

412空化流動中湍動能輸運分析

42誘導輪離心泵內空化流動特性

421無誘導輪離心泵內部流動的數值模擬

422誘導輪內部流動特性

423誘導輪離心泵空化特性的數值模擬

424誘導輪離心泵外特性和空化特性實驗

第5章泵內數值模擬與性能預測

51模型泵數值方法及驗證

511模型及方法

512模擬參數設置

513實驗驗證及分析

514數值結果分析

52模型泵性能預測及分析

521偏工況下離心泵內主流場的不穩定流動特性

522次流動區流動對瞬態壓力脈動的影響

523振動能量與內部流動損失的分析

53大功率離心泵內部流動及分析

531兩級高速離心泵的非定常流動分析

532五級離心泵內部的非定常流動分析

533十級離心泵內部的非定常流動分析

534十一級離心泵內部的非定常流動分析

參考文獻






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ω turbulence model

212PR correction based on the kω 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