基于边界层理论的固液两相流离心泵 CAD

    0 概 述
   
    固液两相流离心泵主要用于固体物料的水力输送。该产品大量地使用在电力、冶金矿山、水力疏浚等工业部门。目前，固液两相流离心泵在设计中是靠经验，进行选参的，存在着力学模型不完善和设计系统不完善等问题。近年来，国内部分院校、科研机构在泵的 CAD领域内做了许多工作。目前开发的泵的CAD系统大都以AutoCAD为开发平台闭，二维设计为主，存在一些间题尚未很好地解决。一是所基于的理论落后，仅仅依据传统理论、经验公式l]t或简化了的固液两相流方程开发软件，因此设计出来的产品很难与现场实际相适应。二是现有设计软件交互性不理想。直接影响用户使用。三是CAD/CAM/CAE/CAT集成性不好，不能适应现代化生产要求。
   
    本文分析了离心泵过流表面的水力效率和过流型线，提出了边界层理论。基于边界层理论开发出固液两相流离心泵CAD 系统。该系统以三维设计为主，能够为 CAM/CAE/CAT等技术实现提供模型。该系统设计的离心泵可以提高泵的水力效率，降低泵的磨损，提高泵的使用寿命。
   
    1 边界层理论
   
    在离心泵叶片的边界层分析中，将离心泵叶轮内流道的流动分成两部分，即边界层和边界层外的主流区，并将其流场简化为二维不可压缩定常流动。在过流件表面的薄层内因流速由零急增至W0(x)。流速梯度很大，粘滞作用显著，流动规律复杂，这一薄层叫过流件的边界层。在边界层内按粘性流体分析。在离心泵叶片的边界层分析中，对于所建立的叶片边界层动量微分方程在边界区域内进行积分，可得到含有离心惯性项的动量积分方程为:
   

    根据边界层理论，泵的输送效率主要取决于叶片型线形状和叶片安装角度。在垂直于叶轮旋转轴线的截面内。若不考虑边界层排挤厚度对相对速度的影响，叶片截线参数方程可表示为:
   

    2 两相流离心泵CAD系统结构及功能
   
    基于边界层理论的两相流离心泵CAD系统结构如图1所示。设计时，先进行泵的选型，然后根据固液两相流边界层理论，确定叶片型线和蜗壳型线模型，进行离心泵的关键部件设计-叶轮设计和泵体设计。在进行叶轮和泵体设计时，既要保证叶片型线和蜗壳型线满足边界层理论条件(如方程(2))，又要使其他部位结构合理、加工工艺性良好、选材得当。在装配模型支持下完成其他零部件设计和整体装配设计，进行模拟实验，判断设计是否达到预期设想或实际要求。系统经过分析和检验后，生成泵产品信息库供用户使用。

   3 两相流离心泵 CAD系统开发
    
    3.1 设计系统
   
    近年来工程上常用的CAD软件系统有很多，如UG、CATIA、Pro/E、SolidWorks等，其中Solidworks软件界面友好，提供了与其他系统接口，便于数据信息传递。本文的两相流离心泵CAD系统就是将SolidWorks作为支撑平合，利用VB进行开发的。
   
    利用Solidworks软件，可以进行离心泵的参数化设计。参数化设计通常要建立图形库，传统的CAD系统不具备参数化功能，因此只能采用编程绘制的方法进行。这种做法工作量大、程序复杂，存在计算误差。而且对一台已经存在的泵进行修改时，不论改动多小，都要一切从头开始，无法充分利用现有的设计资源。而对于具备参数化功能的CAD系统来说就简单得多，只需绘制好标准件的模板图形，然后由程序改动相应的参数即可实现新泵的设计。
   

    在编制离心泵CAD系统时，充分考虑了它的实用性。用户界面友好，容错性强。当用户不正确使用程序时，系统应及时给出提示，并引导用户继续操作或终止程序。绘制图纸应符合我国国家标准。
   
    3.2 模拟试验
   
    图2给出了模拟实验流程。在固液两相流离心泵设计过程中，需要模拟过流部件内的流畅。流经叶片表面的流相是三维、非定常，既有固相，也有液相;有粘性.也有摩擦。因为流动解析的数据量庞大，对数据后处理技术的选用就显得尤其重要。随着计算机技术的发展和边界层理论的成熟与完善，将CFD 方法结合到离心泵的设计中。利用已经建好的CAD集合模型，分析过流表面的流体运动情况，获得流场内压力、流速、湍动能等参数的分布规律，分析设计是否合理，优化设计参数，输出试验数据。
   
    4 结 论
   
    本文从两个方面讨论了固液两相流离心泵的设计系统。通过分析过流表面流场情况，提出边界层理论。由于现有离心泵的CAD系统较少，而且存在着很多问题，因此本文开发出了基于边界层理论、借助于Solidiworks软件平台的固液两相流CAD系统。该系统所基于的理论较为先进，采用参数化设计，建立零件数据库。这些数据既可供本系统使用，还可以传递到其他相关系统进行物性分析或进行数控加工编程。模拟试验可以检验设计是否合理，是否需要修改关键部件设计，从而节省大量时间和经费 。