南京工业大学过控毕业设计开题报告3.docx
- 文档编号:1186459
- 上传时间:2023-04-30
- 格式:DOCX
- 页数:16
- 大小:35.91KB
南京工业大学过控毕业设计开题报告3.docx
《南京工业大学过控毕业设计开题报告3.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《南京工业大学过控毕业设计开题报告3.docx(16页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
南京工业大学过控毕业设计开题报告3
毕业设计(论文)开题报告
学生姓名:
魏志远学号:
1201100324
所在学院:
机械与动力工程学院
专业:
过程装备与控制工程
设计(论文)题目:
输送变粘度流体的熔盐泵
外特性修正模型研究
指导教师:
邵春雷
2014年3月21日
毕业设计(论文)开题报告
1.结合毕业设计(论文)课题情况,根据所查阅的文献资料,每人撰写
2000字左右的文献综述:
文献综述
1选题依据
熔盐泵在工业生产和国民经济的许多部门有着广泛的应用,是一种重要的工业机械。
进行输送变粘度流体的熔盐泵外特性修正模型研究对于泵的优化设计以及改善泵的运行特性具有重要影响。
而且不仅具有理论意义,更具有重要的工程实用价值[1]。
熔盐泵是专门用来输送高温熔盐的泵,按照结构形式,可以分为熔盐液下泵和熔盐轴流泵,另外还有RXB型熔盐循环泵。
熔盐液下泵是小流量高扬程的熔岩泵,其叶轮为离心式叶轮,这种形式的泵应用最广泛。
熔盐液下泵是熔盐泵系列的一种悬臂式免维护液下式熔盐泵,轴承在液面以上,下面采用无密封形式。
熔盐液下泵具有效率高、工作平稳、振动小、噪音低、使用寿命长、维修少、维护费用低等特点,质量达到国外同类产品水平。
熔盐液下泵根据伸入容器长度的不同需要而制成。
熔盐液下泵工作部分沉没在融化的熔盐内,因此轴封无熔盐飞溅现象;熔盐液下泵运转产生的轴向及径向力分别由滚动轴承及滑动轴承支撑,因此运行无噪音;温度较高(400度以上)的介质轴承箱部件处有冷却系统,用冷却水带走热量。
熔盐轴流泵是大流量小扬程的熔盐泵,其叶轮是轴流式叶轮,特别适用于化工行业大流量熔盐换热场合。
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。
国内应用熔盐轴流泵已有十几年的历史,目前产品规格共有十二种。
该产品广泛应用于丙烯酸、苯酐、顺酐、福马酸、制冷剂等行业,并在国内首次替代进口设备。
产品市场占有率全国第一。
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]。
熔盐泵的工作原理是:
在工作前,泵体和进料关必须灌满液态熔盐形成真空状态,当叶轮高速转动时,叶片促使液体很快旋转,旋转着的高温熔盐在离心力的作用下从泵体出液管中甩出去,泵内的液体被抛出后,叶轮的中心部分形成真空区域。
熔盐在大气压力的作用下通过管网压到了泵体内。
这样不停循环,就可以实现连续输送熔盐。
熔岩泵启动前,泵壳内灌满熔盐液体,启动后,叶轮由熔盐泵泵轴带动高速转动,叶片间的液体也必须随着转动。
在离心力的作用下,液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量,以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳中。
在蜗壳中液体由于流道的逐渐扩大而减速,又将部分动能转变为静压能,最后以较高的压力流入排出管道,送至需要场所。
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羽泵入口处的压力,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。
2离心泵性能预测的主要方法
2.1水力损失法
水力损失法是目前预测离心泵性能最常用的方法,它是通过对各种水力损失的物理本质及其影响因素的分析,寻求各种损失与泵结构参数之间的关系,并对流动作一定的假设和简化来建立水力损失模型。
对不同种类的水力损失用不同的计算公式,最后根据泵基本方程求得性能参数。
因此,水力损失的计算就成了水力损失法的关键所在。
文献[6]和[7]对离心泵内水力损失作了总结。
离心泵的水力损失主要是指吸入室、叶轮和压水室内的水力损失,同时还有容积损失和机械损失。
吸入室内的水力损失相对总的水力损失是很小的,通常是可以忽略不计的。
离心泵叶轮内的水力损失主要有叶轮进口处液流冲击损失、叶轮流道内的水力摩擦损失和扩散损失、液流由轴向变为径向的损失以及叶轮出口处水力损失。
叶轮内的水力损失有两种求法:
一是分别求解上述各项水力损失[8-12];二是将叶轮内的水力损失统一求解[13]。
近年来应用较多的是前一种方法,且多数都是用半经验半理论的公式进行求解。
离心泵压水室的主要结构形式是蜗壳。
蜗壳内的水力损失通常也有两种算法:
一是按损失种类分为蜗壳内摩擦损失和蜗壳内扩散损失来计算[14];二是按蜗壳结构分为螺旋段部分水力损失和扩散段部分水力损失来计算,然后再按损失种类分别计算,其中螺旋段水力损失包括沿程摩擦阻力损失和冲击混合损失,扩散段的水力损失包括摩阻损失和扩散损失。
这两种方法并无明显的优劣之分,主要的区别就是后者把扩散流道内的水力损失计算得比较准确,因为扩散流道内的流动比较简单,很容易用水力学公式求得损失且与实际吻合得较好,但由于螺旋段的流动非常复杂,需要采用二维或准三维的方法来计算[15],因而后者的精度与前者相差无几。
斯捷潘诺夫[16]讨论功率平衡时,根据比转速为140的双吸泵的试验资料推断,在离心泵效率最高点时叶轮的水力损失与蜗壳的水力损失各占一半且主要为摩擦损失。
这一观点在对离心泵设计点进行性能预测时经常被参考。
对于某一离心泵而言,其容积效率和机械效率一般变化不大,因此水力损失的准确计算是最重要的,对预测精度影响也是最大的。
离心泵的容积损失包括叶轮前密封环处的泄漏损失、级间泄漏损失和轴向平衡机构处的泄漏损失。
对于单级离心泵,若只考虑密封环处的泄漏,则其容积效率可以直接采用洛马金容积效率公式估算[17]。
离心泵的机械损失是指机械摩擦引起的功率损失。
一般分为两种,一种是轴承、轴封等部位的固体摩擦损失,一般认为这部分损失是轴功率的1%到3%;另一种是叶轮旋转时,其盖板外侧及外缘与介质摩擦引起的损失,称为圆盘摩擦损失,其大小与叶轮外径的五次方成正比,且比转速越低,圆盘摩擦损失就越大。
若仅考虑圆盘摩擦损失,机械效率可以用洛马金机械效率公式估算。
水力损失法的优点是可以全面考虑泵内各种因素的影响,在实际工程中有一定的实用性和准确性。
该方法的缺点是应用损失法时总要对某一具体的泵进行一些条件简化以建立水力损失模型,然后再计算各种水力损失,因此其计算复杂且不具有普遍性。
2.2流场分析法
流场分析法的实质就是建立泵内部流场特征与泵外特性之间的关系,是水泵研究领域中一个重要的课题,主要包括两方面的问题:
一是获得泵内部流场的特征;二是建立泵外特性与内部流场之间的关系。
目前,国内外对前者所做的研究比较多,且取得了较丰富的研究成果,而对后者的研究则很少,处于起步阶段。
离心泵内部流场的数值模拟包括对离心泵叶轮、吸入室和压水室内流场的模拟,并且为了保证性能预测的精度,一般都要进行全三维粘性数值模拟。
由于泵内的流动一般都是湍流,而对湍流的数值模拟是CFD(ComputationalFluidDynamics)的一个难点和热点,因此要对离心泵内流场进行准确的全三维湍流数值模拟还有较大的困难。
文献[18]对离心泵内三维湍流数值模拟方法作了较详细的介绍。
目前湍流的数值模拟方法主要有三种:
一是直接模拟(DNS),由于计算机速度和容量的限制,该方法在工程中还应用得较少;二是大涡模拟(LargeEddySimulation),该法通过某种滤波方法将湍流运动分解成高度各项异性的大尺度涡和大致各项同性的小尺度涡,对前者通过数值求解微分方程进行直接计算,而后者对前者的影响则通过近似模拟来处理,同直接模拟一样需要比较大的计算机容量和很快的处理器;三是雷诺(Reynolds)时均法,这是目前流体机械中采用的主要方法,该法将N-S方程对时间作平均,求解工程中感兴趣的时均量,但需要用湍流模型来封闭方程组。
k-双方程湍流模型由于有较好的精度和通用性且计算量又不太大,所以成为研究最多、应用最为广泛的模型之一。
不管采用那一种计算方法,所有的计算过程都是由计算机完成的,包括建模、网格划分、求解及流场分析等一系列过程。
目前很多商业CFD软件如FLUENT、STARCD、FIDAP等都可以进行三维湍流计算,且具有一定的精度。
用流场分析法来预测泵性能的关键就是如何建立泵内流特征和外特性之间的关系。
目前国内外这方面的研究成果还很少,从初步研究成果来看[19-26],这一方法是确实可行的。
一旦能够建立泵内外特性之间准确的数学表达式,则泵性能预测的精度将会有一个大的提升,同时可以使泵内流研究和工程应用结合得更紧密。
文献[19]在仔细分析和研究了26个离心泵水力模型的基础上,通过回归分析初步建立了平均减速比、叶片负荷系数、初始变化率等内流特征参数与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,并给出了数学表达式,实现了离心泵内外特性的统一,并使流动计算和离心泵性能预测有机结合起来,为分析和预测离心泵性能提供了一种新的途径。
文献[20]应用N-S方程和标准k-湍流模型,使用SIMPLEC算法计算了水泵水轮机内部流场,利用计算出的叶轮压力场和速度场的值,采用伯努利方程计算泵的实际扬程,同时采用泵的基本方程计算理论扬程,以此获得水力效率与轴功率,再利用不同工况下的数值模拟结果得到泵非设计工况的外特性值。
文献[21]则利用已知的速度场和压力场,应用边界层理论直接计算了混流泵的水力损失,从而完成了对混流泵的性能预测,这为用流场分析法预测离心泵的性能提供了一种新思路,即可以在分析泵内部流场的基础上再计算泵的水力损失,从而建立泵内外特性的关系,实现泵的性能预测。
文献[22]则用流场的数值模拟结果分析了离心泵内的汽蚀情况。
可见泵的各种外特性都可以通过内部流场的分析预先判断出其性能优劣。
应用流场的数值模拟进行泵性能预测的优点是只要建立的内外特性的关系准确,其预测精度比水力损失法和神经网络法都要高。
但目前该方法还有很多地方有待研究,如现有方法在设计工况附近精度相对较高而在非设计工况点尤其是小流量工况下精度较低,而且目前的计算只是单独计算叶轮内部的流场,并未考虑压水室等过流部件的影响,对二次流和回流等流动因素也未作考虑。
用流场分析法预测泵的性能处于刚刚起步的阶段,是未来泵性能预测发展的主要方向。
2.3神经网络法
人工神经网络(ArtificialNeuralNetwork,ANN)亦称为神经网络(NeuralNetwork.NN),是由大量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,反映人脑的基本特性。
人工神经网络的计算能力有三个显著的特点:
一是它的非线性特性;二是大量的并行分布结构;三是他的学习和归纳能力。
归纳指神经网络在学习(训练)过程中能为新的输入产生合理的输出。
具有了这些特性的人工神经网络能够解决许多复杂的问题。
人工神经网络有多种结构形式,其中BP(BackPropagation)网络即误差反向传播神经网络,由于算法清楚,学习精度较高,同时它还具有优良的函数逼近特性和非线性映射能力,因此在泵性能预测中得到了应用。
BP网络是典型的多层网络,一般包含三层:
输入层,隐含层和输出层。
在BP网络中,层与层多采用全互连方式,但同一层间的节点之间不存在相互连接。
BP网络的学习过程包括信息正向传播和误差反向传播两个过程。
当给定一个输入模式时,输入信号由输入层到输出层的传递是一个前向传播的过程,如果输出信号与期望信号有差别,即存在误差,那么就转入误差反向传播的过程,并根据各层误差的大小来调节各层的权值,直至输出期望结果。
BP网络在本质上是一种输入到输出的映射,它能够学习大量的输入和输出之间的映射关系,而不需要任何输入和输出之间精确的数学表达式,只要用已知的模式对BP网络加以训练,网络就具有输入输出对之间的映射能力。
这其中的关键在于中间层的学习规则,而中间层就相当于一个特征抽出器。
在利用BP网络进行泵性能预测时,首先要选取大量优秀的水力模型对网络进行训练。
在对网络进行了训练之后,还要再用一部分优秀水力模型对网络进行校验。
若误差在控制范围之内则可用来进行性能预测,否则要继续训练网络。
需要注意的是,在用BP神经网络进行性能预测时,输入模式的选取在很大程度上影响着预测的精度。
因此在具体应用时对输入模式一定要给予充分的重视。
目前大多数利用神经网络预测泵性能的研究都是基于现有的神经网络商业软件完成的。
如文献[27]应用NeuroShe112软件采用BP网络对离心泵的性能进行了预测,其结果具有一定的精度;文献[28]则利用BP神经网络预测了水泵的全性能曲线,其结果令人满意。
除了上述三种主要方法外,文献[29]基于面积比原理预测了泵的扬程和效率,文献[30]通过泵叶轮和压水室的匹配特性预测了泵的最高效率点。
从本质上讲这两种方法是一样的,都是从研究叶轮与压水室匹配程度出发来进行性能预测。
因为面积比在0.6~1.0这样一个大范围内变动时,离心泵均能获得较好的性能,故离心泵对面积比这一参数并不是很敏感,且其预测的仅是高效点区域。
故近年来面积比并未被广泛应用于性能预测,但从面积比原理可知,一台性能优良的泵是叶轮与压水室达到良好藕合的结果。
3离心泵外特性研究方法
3.1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预测方法就是通过对泵真机和模型试验数据的统计总结,获得泵的性能参数与几何参数之间的关系,以便为今后有效和合理地进行新泵设计提供可靠的实践依据。
虽然现代CFD技术已经在泵内部流场分析及性能预测领域发挥越来越大的作用,但是基于统计试验数据的泵外特性预测方法所具有的重要作用仍然不可忽视。
这是因为对于CFD技术而言,其优势在于分析流动结构和流态等细节,对泵外特性的预测需要在其前处理过程中完全确认泵水力设计的所有细节,这种过程本身就是被动的。
而且对于一般的泵水力设计师而言,在泵外特性预测中应用CFD技术需要一定的相关基础知识,同时在泵的设计和基于CFD性能预测的技术之间的接口处理还有待更进一步简易化。
与CFD技术的这些弱点相比,基于统计试验数据的泵外特性预测方法是主动的,这些方法来自于泵水力设计实践,用于新泵的水力设计,即根据用户需求的泵性能参数或者曲线直接决定泵的水力设计参数,是与泵的反问题——水力设计同步的。
同时,由于这些数据直接来自于统计数据,因此其中都综合包含了各种因素的影响,相比于CFD技术在前处理中分别考虑各种因素或者忽略某些因素的影响(例如水力效率、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易于为泵水力设计师信任、接受应用[31]。
3.2离心泵性能预测的发展趋势
目前,预测离心泵性能的主要方法有流场分析法、水力损失法和神经网络法。
水力损失法虽然经过几十年的发展,但它的预测精度还有待于进一步提高。
神经网络法目前的预测精度不高,其精度的提高在很大程度上依赖于人工神经网络学科的发展。
对于研究泵的工作者,最具发展潜力的就是流场分析法。
从上面的分析中可以看出在流场分析预测泵性能方面还有很多研究工作要做,而且发展方向也是多样化的。
因此可以预言,将来在泵性能预测领域里,流场分析法必将成为最主要和最有效的方法之一。
4参考文献
[1]杨钢,李吉生,朱恩明,等.新型熔盐泵的研制[J].天津大学,1999,26(4):
222-223.
[2]吕秋存,刘国忠,黎勤,李仲华.熔盐循环泵的国产化改造[J].节能技术,1999,17(93):
32-36.
[3]周文胜.离心泵原理及其应用[J].应用科技,2010:
97.
[4]管国峰,赵汝溥.化工原理[M].北京:
化学工业出版社,2008.
[5]屈春叶,韩念琛.不同密度流体介质对离心泵的性能影响[J].化工机械,2013,40(3):
323-326.
[6]PatelDP.PerformancePredictioninCompleteRangeofCentrifugalPumps[C].Pump-TheDevelopingNeeds7thTechnicalConferenceoftheBPMA,1981:
1-4.
[7]杨军虎,张学静.离心泵的性能预测进展运行与应用[J].水泵技术,2003(5):
48-51.
[8]骆大章,刘树洪.低比转数离心泵性能预测[J].水泵技术,1989
(1):
1-8.
[9]刘厚林,袁寿其,施卫东等.双流道泵性能预测的研究[J].农业工程学报,2003,19(4):
133-135.
[10]郭自杰,王仕扬.B型离心泵的性能预测[J].水泵技术,1983(3):
37,40-53.
[11]白晓宁,张幼新.矿用D型离心泵的效率预测[J].山东矿业学院学报,1998
(2):
174-178.
[12]高木(日).不同比转速单吸离心泵的性能预测[J].水泵技术(译文),1981(3):
33-41.
[13]袁卫星,张克危,贾宗漠.离心泵性能预测[J].水泵技术,1991
(2):
9-14.
[14]孙建平,刘龙珍,张克危.离心泵主要几何参数的优化[J].水泵技术,1996(4):
30-32.
[15]KurokawaJ,JingJ.PerformancePredictionofCentrifugalImpellerandScaleEffects.Proc.IAHR-Beijing89Symposium[J].1989,27(5):
18-24.
[16]斯捷潘诺夫.离心泵和轴流泵理论、设计和应用(中译本).北京:
机械工业出版社,1980.
[17]A.A.洛马金.离心泵与轴流泵[M].梁永厚译.北京:
机械工业出版社,1978.
[18]刘厚林.流道式无堵塞泵CAD软件开发及三维不可压湍流计算[D].镇江:
江苏大学,2001.
[19]罗海斌.离心泵叶轮流场速度分布规律与外特性关系的研究[D].北京:
中国农业大学,1999.
[20]王国玉,左志钢,曹树良等.水泵水轮机转轮内部三维紊流流场计算与性能分析[J].水利水电技术,2001(5):
28-30.
[21]张克危,孙建平,贾宗漠.混流泵的性能预测[J].华中理工大学学报,1996,27(6):
31-34.
[22]MedvitzR.B.PerformanceAnalysisofCavitatingFlowinCentrifugalPumpsUsingMultiphaseCFD[C].ProceedingsoftheASMEFluidsEngineeringDivisionSummerMeeting,2003
(1):
445-453.
[23]TremanteA.Numericalperformancepredictionandexperimentalvalidationofanaxialpumpundertwophaseflow(liquid/gas)[J].AmericanSocietyofMechanicalEngineers,PetroleumDivision(Publication)PD,2002,15
(2):
755-760.
[24]SunJ.Off-designperformancepredictionfordiffuserpumps[J].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,PartA:
JournalofPowerandEnergy,2001,215
(2):
191-202.
[25]TakakiSAKURAL.PumpDesignSystembasedonInverseDesignMethodandItsApplicationtoDevelopmentofDiffuserPumpSeries[C].Proceedingsofthe3rdASME/JSMEJointFluidsEngineeringConference,1999:
237-241.
[26]PhilippeDupont.Numericalpredictionofcavitation-Improvingpumpdesign[J].WORLDPUMPS,2001(11):
26-28.
[27]聂书彬,关醒凡,刘厚林.利用人工神经网络预测离心泵性能的探索[J].水泵技术,2002(5):
16-18.
[28]刘光临,蒋劲,符向前.BP神经经网络法预测水泵全性能曲线的研究[J].武汉水利电力大学学报,2000,33
(2):
37-39.
[29]吴简彤,王建华.神经网络技术及其应用[M].哈尔滨:
哈尔滨工程大学出版社,1998.
[30]H.H.Anderson.QuantityandEfficiencyinPumptheAreaRatioPrincipleperformance[M].1979.
[31]倪永燕.基于统计数据的泵外特性预测方法分析及应用[J].水泵技术;2011
(1):
6-11.
毕业设计(论文)开题报告
2.本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段(途径):
1、熔盐泵几何模型建立。
在Pro-e中建立熔盐泵几何模型,将几何模型导入Gambit中,先切割成三部分(叶轮,蜗壳,压水室),设置边界条件,最后划分网格。
2、熔盐泵数值计算技术。
建立合适的数学模型,以计算流体力学软件FLUENT为工具,采用标准
湍流模型、SIMPLE算法和多重参考坐标系模型,对熔盐泵的进口、出口以及叶轮蜗壳交界面进行相应的边界条件设置,对熔盐泵进行三维数值模拟。
3、不同粘度下熔盐泵外特性预测与分析。
利用扬程、轴功率、效率预测公式,根据数值模拟得到的相关数据预测熔盐泵的外特性,分析扬程、轴功率、效率等外特性随熔盐粘度变化的规律。
4、建立变粘度流体熔盐泵外特性修正模型。
熔盐粘度随温度的变化将影响熔盐泵的性能,为了准确预测输送不同粘度介质的熔盐泵的外特性,拟对如下内容进行详细研究:
采用数值模拟技术研究介质粘度对熔盐泵外特性的影响,分析内部流动状态随粘度变化的规律,根据流动状态建立考虑粘度变化的熔盐泵外特性修正模型。
毕业设计(论文)开题报告
指导教师意见:
1.对“文献综述”的评语:
2.对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计(论文)结果的预测:
指导教师:
年月日
所在专业审查意见:
负责人:
年月日
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 南京 工业大学 毕业设计 开题 报告