《水泵與泵站流動分析方法》是2020年中國水利水電出版社出版的圖書，作者是王福軍教授。本書是一本系統介紹水泵與泵站流動理論、分析方法和最新研究成果的著作。本書是國家科學技術學術著作出版基金資助專著。
基本介紹
- 書名：水泵與泵站流動分析方法
- 別名：英文名稱：Analysis Method of Flow in Pumps & Pumping Stations
- 作者：王福軍
- 類別：科技
- 出版社：中國水利水電出版社
- 出版時間：2020年1月1日
- 頁數：466 頁
- 定價：98.00 元
- 開本：16 開
- ISBN：9787517079927
內容簡介,圖書目錄,出版背景,作者簡介,
內容簡介
本書是一本系統介紹水泵與泵站流動理論、分析方法和最新研究成果的著作。內容包括水泵與泵站粘性流動基本解法、三維造型和格線生成技術、瞬態流動與多相流動計算模型、流固耦合理論和分析方法。本書內容實用、重點突出、結構新穎、圖文並茂。所有成果均來自於作者多年從事水泵與泵站教學和科研實踐，算例全部選自實際泵站工程。對指導水泵設計、最佳化泵站結構、評估現有泵站性能，具有重要參考價值。
本書適合於流體機械、水利工程、城市給排水工程、化工工程、能源動力工程等領域的科研人員和工程技術人員參考，也適合作為高等院校水利類、能源動力類和流體力學類專業本科生和研究生教學參考書。
本書獲得國家科學技術學術著作出版基金資助項目的資助。
圖書目錄
第1章 緒論................................................................................................................... 1
1.1 水泵與泵站流動特點......................................................................................... 1
1.1.1 水泵流動特點.......................................................................................... 1
1.1.2 泵站流動特點.......................................................................................... 2
1.2 水泵與泵站流動分析方法概述........................................................................... 2
1.2.1 水泵流動分析方法................................................................................... 2
1.2.2 泵站流動分析方法................................................................................... 4
1.3 三維粘性流動分析方法概述............................................................................... 5
1.3.1 計算流體動力學理論與方法簡介.............................................................. 5
1.3.2 常用CFD軟體......................................................................................... 6
第2章 流動分析基本方法............................................................................................. 7
2.1 流動分析原理與數值解法.................................................................................. 7
2.1.1 流動控制方程.......................................................................................... 7
2.1.2 控制方程離散方法................................................................................... 9
2.1.3 控制方程求解方法.................................................................................. 11
2.1.4 流動分析基本流程................................................................................. 13
2.2 計算方案制訂.................................................................................................. 15
2.2.1 計算目的確立........................................................................................ 15
2.2.2 模型抽象............................................................................................... 16
2.2.3 計算域選擇............................................................................................ 16
2.2.4 參考壓力和浮力選擇.............................................................................. 18
2.2.5 邊界條件選擇........................................................................................ 19
2.2.6 初始條件選擇........................................................................................ 22
2.3 瞬態計算的時間步長....................................................................................... 22
2.3.1 隱式時間積分方案下的時間步長............................................................ 22
2.3.2 顯式時間積分方案下的時間步長............................................................ 23
2.3.3 關於時間步長的一般考慮....................................................................... 24
2.4 計算前處理..................................................................................................... 25
2.4.1 幾何模型創建與計算格線劃分................................................................ 25
2.4.2 物理問題設定........................................................................................ 26
2.4.3 求解設定............................................................................................... 28
2.5 計算求解......................................................................................................... 29
2.5.1 計算求解準備........................................................................................ 29
2.5.2 對計算求解的人為控制.......................................................................... 30
2.5.3 計算過程中的殘差................................................................................. 30
2.5.4 計算收斂的判斷..................................................................................... 32
2.5.5 解決收斂問題的方法.............................................................................. 34
2.5.6 提高計算精度的建議.............................................................................. 35
2.6 計算後處理..................................................................................................... 36
2.6.1 流場物理量的表示................................................................................. 36
2.6.2 力、力矩和功率的計算.......................................................................... 39
2.6.3 水泵揚程計算........................................................................................ 40
2.6.4 水泵效率計算........................................................................................ 41
2.6.5 水泵空化餘量計算................................................................................. 42
2.6.6 水泵性能曲線預測................................................................................. 43
第3章 湍流模型及近壁區處理模式.............................................................................. 44
3.1 湍流模型概述.................................................................................................. 44
3.1.1 湍流特徵............................................................................................... 44
3.1.2 湍流數值模擬方法及湍流模型概述......................................................... 44
3.2 RANS模型...................................................................................................... 46
3.2.1 雷諾平均化處理模式.............................................................................. 46
3.2.2 常用渦粘模型........................................................................................ 47
3.2.3 局部時均化模型（PANS）..................................................................... 49
3.3 LES模型及RANS-LES混合模型..................................................................... 49
3.3.1 大渦模擬模型（LES）........................................................................... 50
3.3.2 RANS-LES混合模型.............................................................................. 50
3.4 近壁區處理模式.............................................................................................. 52
3.4.1 近壁區流動特點..................................................................................... 52
3.4.2 近壁區處理模式概述.............................................................................. 54
3.4.3 壁面函式法............................................................................................ 55
3.4.4 近壁模型法............................................................................................ 56
3.4.5 壁面粗糙度的處理................................................................................. 57
第4章 幾何建模.......................................................................................................... 60
4.1 幾何建模概述.................................................................................................. 60
4.1.1 幾何建模要求........................................................................................ 60
4.1.2 幾何建模軟體與方法.............................................................................. 60
4.2 導葉式離心泵幾何建模.................................................................................... 61
4.2.1 葉輪三維造型........................................................................................ 61
4.2.2 導葉三維造型........................................................................................ 65
4.2.3 蝸殼三維造型........................................................................................ 66
4.2.4 肘形進水流道三維造型.......................................................................... 68
4.3 雙吸離心泵幾何建模....................................................................................... 70
4.3.1 螺旋形壓水室三維造型.......................................................................... 70
4.3.2 半螺旋形吸水室三維造型....................................................................... 75
4.3.3 雙吸離心泵整體模型的生成................................................................... 83
4.4 軸流泵幾何建模.............................................................................................. 84
4.4.1 軸流泵幾何建模方法.............................................................................. 84
4.4.2 葉輪三維造型........................................................................................ 85
4.4.3 導葉等部件的三維造型.......................................................................... 88
4.4.4 軸流泵整體模型的生成.......................................................................... 88
第5章 格線劃分.......................................................................................................... 90
5.1 格線概述......................................................................................................... 90
5.1.1 格線分類............................................................................................... 90
5.1.2 邊界層格線............................................................................................ 92
5.1.3 格線質量............................................................................................... 95
5.1.4 格線獨立性驗證..................................................................................... 96
5.2 格線劃分方法.................................................................................................. 97
5.2.1 格線劃分流程........................................................................................ 97
5.2.2 合併多個格線的方法.............................................................................. 99
5.2.3 水泵CFD格線類型與格線尺寸............................................................. 100
5.3 雙吸離心泵非結構格線劃分........................................................................... 102
5.3.1 非結構格線劃分流程............................................................................ 103
5.3.2 三維實體模型導入與曲面修復.............................................................. 103
5.3.3 全局格線參數設定................................................................................ 105
5.3.4 Part創建.............................................................................................. 106
5.3.5 Part格線參數設定................................................................................ 109
5.3.6 格線生成及格線質量檢查...................................................................... 111
5.3.7 邊界層格線對y的影響........................................................................ 114
5.4 軸流泵非結構格線劃分.................................................................................. 115
5.4.1 葉輪格線劃分....................................................................................... 116
5.4.2 其他部件格線劃分................................................................................ 116
5.5 導葉式離心泵六面體格線劃分........................................................................ 119
5.5.1 葉輪六面體格線劃分............................................................................ 120
5.5.2 導葉六面體格線劃分............................................................................ 126
5.5.3 蝸殼六面體格線劃分............................................................................ 130
5.5.4 肘形進水流道六面體格線劃分.............................................................. 132
5.6 泵站進水池六面體格線劃分........................................................................... 133
5.6.1 計算域分塊.......................................................................................... 134
5.6.2 格線最大尺寸控制................................................................................ 137
5.6.3 近壁區第一層格線高度控制.................................................................. 137
5.7 基於ANSYS TurboSystem的水泵設計與格線生成.......................................... 139
5.7.1 利用Vista CPD進行離心泵水力設計..................................................... 140
5.7.2 利用BladeGen進行葉片修改與造型..................................................... 144
5.7.3 利用TurboGrid進行葉輪格線劃分........................................................ 145
5.7.4 利用CFX進行流場計算....................................................................... 146
5.8 格線自適應技術............................................................................................. 148
5.8.1 格線自適應技術概述............................................................................ 148
5.8.2 CFX格線自適應技術........................................................................... 149
5.8.3 Fluent格線自適應技術......................................................................... 150
5.9 格線相關問題探討......................................................................................... 156
5.9.1 什麼是好格線....................................................................................... 156
5.9.2 如何生成好格線................................................................................... 157
5.9.3 IECM CFD二次開發............................................................................ 158
第6章 葉輪旋轉參考系模型...................................................................................... 161
6.1 葉輪旋轉參考系模型概述............................................................................... 161
6.1.1 運動參考系中的速度表達式及控制方程................................................ 161
6.1.2 水泵旋轉參考系模型............................................................................ 163
6.2 基於SRF的葉輪流動分析.............................................................................. 164
6.2.1 SRF設定.............................................................................................. 164
6.2.2 SRF計算實例....................................................................................... 165
6.3 基於MRF的水泵流動分析............................................................................. 171
6.3.1 MRF簡介............................................................................................ 171
6.3.2 MRF計算實例..................................................................................... 173
6.4 基於MPM的水泵流動分析............................................................................ 176
6.4.1 MPM簡介............................................................................................ 176
6.4.2 MPM計算實例..................................................................................... 179
6.5 基於SMM的水泵流動分析............................................................................ 184
6.5.1 動靜干涉作用及SMM簡介.................................................................. 184
6.5.2 滑移界面設定原則................................................................................ 186
6.5.3 SMM套用技術要點.............................................................................. 188
6.5.4 SMM計算實例..................................................................................... 189
第7章 瞬態流動與壓力脈動分析............................................................................... 195
7.1 瞬態流動特性及分析方法............................................................................... 195
7.1.1 瞬態流動及其對流場和結構的影響....................................................... 195
7.1.2 瞬態流動計算方法概述......................................................................... 196
7.2 分離渦模擬方法（DES）............................................................................... 198
7.2.1 原始DES方法..................................................................................... 199
7.2.2 DDES方法........................................................................................... 202
7.2.3 IDDES方法......................................................................................... 204
7.2.4 DES方法存在的灰區問題及解決方案................................................... 206
7.2.5 DES方法的套用................................................................................... 208
7.3 轉捩流動分析方法......................................................................................... 211
7.3.1 邊界層轉捩特性概述............................................................................ 211
7.3.2 邊界層轉捩計算方法............................................................................ 212
7.3.3 SST g-Req轉捩模型............................................................................... 215
7.3.4 邊界層轉捩計算實例............................................................................ 221
7.4 水泵瞬態流動及壓力脈動分析........................................................................ 224
7.4.1 水泵瞬態流動計算方法......................................................................... 225
7.4.2 離心泵瞬態流動計算模型設定.............................................................. 225
7.4.3 離心泵瞬態流動計算結果..................................................................... 230
7.4.4 離心泵壓力脈動計算結果..................................................................... 232
第8章 旋轉分離流動分析.......................................................................................... 237
8.1 SGS模型適用性分析..................................................................................... 237
8.1.1 LES方法.............................................................................................. 237
8.1.2 常用的SGS模型.................................................................................. 239
8.1.3 常用SGS模型在離心泵中的適用性分析............................................... 243
8.2 動態混合非線性SGS模型.............................................................................. 250
8.2.1 動態混合非線性SGS模型表達式......................................................... 250
8.2.2 動態混合非線性SGS模型在Fluent中的實現方式................................. 252
8.3 LES的近壁區處理模式.................................................................................. 253
8.3.1 常用的近壁區處理模式......................................................................... 253
8.3.2 常用近壁區處理模式在離心泵中的適用性分析...................................... 255
8.4 離心泵旋轉失速分析...................................................................................... 261
8.4.1 失速特性簡介....................................................................................... 261
8.4.2 失速計算模型及其驗證......................................................................... 262
8.4.3 失速團特徵參數................................................................................... 264
8.4.4 失速狀態下流動結構............................................................................ 265
8.4.5 不同工況下失速特性............................................................................ 268
8.4.6 失速狀態下壓力脈動特性..................................................................... 270
第9章 多相流與空化分析.......................................................................................... 272
9.1 多相流數值計算方法簡介............................................................................... 272
9.1.1 多相流概述.......................................................................................... 272
9.1.2 多相流數值計算方法分類..................................................................... 273
9.1.3 歐拉-拉格朗日方法.............................................................................. 275
9.1.4 歐拉-歐拉方法..................................................................................... 276
9.2 離散相模型及其套用...................................................................................... 277
9.2.1 控制方程.............................................................................................. 277
9.2.2 顆粒受力分析....................................................................................... 277
9.2.3 模型特性.............................................................................................. 280
9.2.4 離散相模型套用實例............................................................................ 283
9.3 混合模型及其套用......................................................................................... 286
9.3.1 控制方程.............................................................................................. 286
9.3.2 混合模型設定和使用............................................................................ 288
9.4 VOF模型及其套用........................................................................................ 290
9.4.1 控制方程.............................................................................................. 291
9.4.2 VOF模型設定和使用........................................................................... 292
9.4.3 VOF模型套用實例............................................................................... 298
9.5 歐拉模型及其套用......................................................................................... 302
9.5.1 控制方程.............................................................................................. 303
9.5.2 顆粒相內部封閉關係............................................................................ 304
9.5.3 流體相與顆粒相之間的封閉關係——曳力模型...................................... 306
9.5.4 流體相與顆粒相之間的封閉關係——附加相間作用力模型.................... 309
9.5.5 湍流模型.............................................................................................. 311
9.5.6 歐拉模型設定....................................................................................... 315
9.5.7 歐拉模型使用注意事項......................................................................... 318
9.5.8 水沙攪拌計算實例................................................................................ 320
9.6 泥沙磨蝕計算方法及其套用........................................................................... 327
9.6.1 通用磨蝕模型....................................................................................... 328
9.6.2 專用磨蝕模型....................................................................................... 329
9.6.3 磨蝕分析方法....................................................................................... 330
9.6.4 基於離散相模型的彎管泥沙磨蝕計算實例............................................. 330
9.6.5 基於歐拉模型的離心泵泥沙磨蝕計算實例............................................. 332
9.7 空化計算方法................................................................................................ 335
9.7.1 空化模型分類....................................................................................... 335
9.7.2 基於Rayleigh-Plesset方程的空化模型................................................... 336
9.7.3 空化計算中的多相流模型與湍流模型.................................................... 342
9.7.4 使用空化模型的技術要點..................................................................... 343
9.8 水泵空化計算實例......................................................................................... 345
9.8.1 計算模型.............................................................................................. 345
9.8.2 計算過程與結果................................................................................... 345
9.9 基於UDS的固體污染物濃度分布模擬........................................................... 350
9.9.1 沉澱池多相流問題概述......................................................................... 350
9.9.2 UDS程式設計...................................................................................... 352
9.9.3 UDS程式運行及計算結果.................................................................... 355
第10章 進水池與出水池流動分析.............................................................................. 358
10.1 進水池與出水池流動研究概況...................................................................... 358
10.1.1 進水池............................................................................................... 358
10.1.2 出水池............................................................................................... 361
10.2 進水池與出水池計算模型............................................................................. 361
10.2.1 計算域............................................................................................... 361
10.2.2 計算格線............................................................................................ 363
10.2.3 自由水面的處理................................................................................. 365
10.2.4 邊界條件............................................................................................ 365
10.2.5 湍流模型及近壁區處理模式................................................................ 367
10.3 進水池流態研究........................................................................................... 367
10.3.1 研究對象............................................................................................ 367
10.3.2 前池池底坡度對流態的影響................................................................ 368
10.3.3 前池擴散角對流態的影響................................................................... 369
10.3.4 隔墩對流態的影響.............................................................................. 370
10.4 進水池空氣吸入渦研究................................................................................ 370
10.4.1 計算模型............................................................................................ 371
10.4.2 空氣吸入渦演化過程.......................................................................... 372
10.4.3 空氣吸入渦產生機理.......................................................................... 374
10.5 出水池流態研究........................................................................................... 375
10.5.1 計算模型............................................................................................ 375
10.5.2 出水池流態........................................................................................ 376
第11章 進水流道與出水流道流動分析....................................................................... 379
11.1 進水流道與出水流道流動分析概述............................................................... 379
11.1.1 進水流道與出水流道流動概述............................................................ 379
11.1.2 整體式與分離式流動分析方法............................................................ 380
11.2 分離式流動分析方法.................................................................................... 380
11.2.1 計算模型............................................................................................ 380
11.2.2 立式混流泵站流動分析實例................................................................ 383
11.2.3 斜式軸流泵站流動分析實例................................................................ 385
11.3 多面體格線模型的套用................................................................................. 387
11.3.1 多面體格線模型................................................................................. 387
11.3.2 多面體格線模型套用.......................................................................... 389
11.4 整體式流動分析方法.................................................................................... 390
11.4.1 計算模型............................................................................................ 390
11.4.2 立式軸流泵站流動分析實例................................................................ 393
11.4.3 整體式與分離式流動分析結果對比..................................................... 399
11.5 流動分析中的FAN模型............................................................................... 403
11.5.1 FAN模型簡介.................................................................................... 403
11.5.2 FAN模型套用示例............................................................................. 404
11.5.3 3D FAN模型...................................................................................... 405
11.6 綜合套用實例............................................................................................... 405
11.6.1 斜式軸流泵裝置的整體式流動分析模型.............................................. 405
11.6.2 流動分析結果..................................................................................... 409
第12章 蝶閥與管道流動分析..................................................................................... 414
12.1 蝶閥與管道流動分析方法............................................................................. 414
12.1.1 流動分析方法概述.............................................................................. 414
12.1.2 蝶閥三維計算域的選取....................................................................... 415
12.1.3 蝶閥前後動態邊界條件的建立............................................................ 416
12.1.4 蝶閥與管道間的邊界數據更新............................................................ 417
12.2 基於動格線模型的蝶閥開啟過程分析........................................................... 419
12.2.1 動格線模型簡介................................................................................. 419
12.2.2 蝶閥動格線模型設定.......................................................................... 420
12.2.3 蝶閥流場計算結果.............................................................................. 423
12.3 蝶閥結構型式對水力特性的影響.................................................................. 425
12.3.1 蝶閥結構型式簡介.............................................................................. 425
12.3.2 流量及閥板轉矩特性.......................................................................... 426
12.3.3 壓力脈動特性..................................................................................... 427
第13章 流固耦合與疲勞分析..................................................................................... 429
13.1 流固耦合分析的基本方法............................................................................. 429
13.1.1 流固耦合分析方法.............................................................................. 429
13.1.2 流固耦合分析過程與實例................................................................... 433
13.2 離心泵流固耦合分析.................................................................................... 437
13.2.1 耦合計算模型..................................................................................... 438
13.2.2 壓力脈動計算結果.............................................................................. 439
13.2.3 結構應力和變形計算結果................................................................... 439
13.3 水泵疲勞可靠性分析.................................................................................... 443
13.3.1 疲勞可靠性分析的基本思想................................................................ 443
13.3.2 應力載荷譜的編制.............................................................................. 443
13.3.3 結構疲勞強度的確定.......................................................................... 446
13.3.4 結構疲勞壽命的預估.......................................................................... 449
13.3.5 水泵疲勞壽命預估實例....................................................................... 449
13.4 模態分析..................................................................................................... 455
13.4.1 模態分析的特徵方程.......................................................................... 455
13.4.2 模態分析方法..................................................................................... 456
13.4.3 在ANSYS中開展模態分析的步驟...................................................... 457
13.4.4 水泵葉輪模態分析實例....................................................................... 460
13.5 轉子臨界轉速分析....................................................................................... 464
13.5.1 坎貝爾圖............................................................................................ 464
13.5.2 轉子動力學方程及有限元模型............................................................ 465
13.5.3 臨界轉速計算..................................................................................... 466
13.5.4 軸承剛度計算..................................................................................... 467
參考文獻...................................................................................................................... 469
出版背景
作者在多年從事水力機械與CFD教學科研的基礎上，編寫了本書。本書將較為理性的CFD理論融入水泵與水泵站工程實踐，每個算例都是一個實際工程，大部分圖片都直接從CFD軟體截屏，使讀者在掌握水泵與泵站流動分析方法的同時，還可認識典型水泵與泵站流動規律。
作者簡介
王福軍，男，1964年6月生，河北豐潤人，中國農業大學水利與土木工程學院教授，清華大學力學系博士，現任北京市供水管網系統安全與節能工程技術研究中心主任、中國水利學會泵及泵站專業委員會副主任、中國電機工程學會水電設備專業委員會副主任等職。主要研究方向為水力機械與水動力學，主持國家自然科學基金項目9項，發表SCI和EI收錄論文230餘篇，所完成的水泵與泵站成果在水利行業得到較廣泛套用，以完成人身份獲得2017年國家科技進步獎二等獎、2016年中國水利學會大禹水利科技獎一等獎、2013年教育部科技進步獎一等獎。
