能源与动力工程学院优秀毕业设计（论文）展示

优秀毕业设计展示

花开花落，四年时间，并不长。你用才智和学识取得了今天的收获，即将又用明智和果敢接受明天的挑战。大学的筵席即将散场，耕耘的步伐却不会停歇，让我们一起来见证这累累的果实吧。

1

转速对微型航空柱塞泵动力学特性的影响

学生：严单单  

  指导教师：史广泰

论文说明：微型航空柱塞泵是航空航天流体控制领域飞机液压系统的核心动力基础元件，具有转速高、体积轻、功率密度大、结构复杂的特点。改善微型航空柱塞泵动力学性能的最常用手段之一是提高泵的转速，其在不同转速下体现出的动力学性能各有不同。本文以微型航空柱塞泵为研究对象，首先介绍泵的基本结构、工作原理，并进行工况点参数选择、建立模型。其次基于泵类专用CFD软件PumpLinx对微型航空柱塞泵进行网格划分，并验证了网格无关性和计算收敛性，得到泵内流场云图和一周期内泵各部位的内流场云图，分析泵在不同转速下的压力分布和速度分布。最后使用多学科交叉型液压系统仿真软件AMESim，对微型航空柱塞泵进行液压系统建模，通过仿真计算得到不同转速下的动力学参数，完成柱塞泵动力学参数分析，得到不同转速下柱塞的运动规律、出口流量脉动规律、柱塞所受各种作用力的变化规律、斜盘所受力及力矩的变化规律、柱塞泵流量倒灌和摩擦副泄漏规律。结果表明：不同转速下，微型航空柱塞泵的压力和速度分布都较为均匀，整体速度和压力分布随转速增加呈上升趋势，高低压分区明显，但由于柱塞位于过渡区时流量倒灌，在配流盘排油腰型槽末端与外死点柱塞相接处存在局部压力降低，其湍动能随转速增加而增加并逐渐趋于均匀；不同转速下，柱塞腔壁面的绝对速度增加明显，通过轴向剖面的方法得出流道内速度增加的位置主要位于排油区域的柱塞腔与出口排油腔，泵的轴向速度分布均匀，随转速增加沿负向增加，且进油端沿轴线方向正向分布，出油端沿轴向负向分布；不同转速下，柱塞所受各种力、斜盘所受力和力矩均做周期性改变，其中柱塞腔压力从起始至稳定输出所需的响应时间随转速增加而减小，而吸排油过渡区的柱塞腔压力超调量随转速增加而增加。研究结果可为柱塞泵的转速选择与优化设计提供参考，具有实际的工程应用意义。

图1 技术路线

图2 不同转速下柱塞泵压力分布

图3 不同转速下柱塞泵绝对速度分布

图4 七柱塞运动速度

2

单液滴在法线方向上碰撞冷态球形疏水黄铜颗粒的数值模拟计算

学生：熊联英    

指导教师：余志顺（西华大学） 

                 刘道银（东南大学）

论文说明：基于各领域中存在的液滴碰撞颗粒现象，本文模拟采用邵丽丽师姐在东南大学实验测得的撞击参数，以常温状态下的单液滴和静止球形疏水黄铜颗粒为研究对象，采用UG建立模型，用ICEM划分网格，在FLUENT中采用CLSVOF方法进行二维和三维模拟，用CFD-POST和TECPLOT进行后处理。将实验结果与数值模拟的碰撞动态进行对比，模型验证，分析了速度矢量图和压力云图等，探索了液滴出现非对称性、尖端产生悬浮射流、底部产生滞留气泡的原因；研究了液滴在不同We下碰撞颗粒的动态行为。实验结果表明：在同一无量纲时间t*下，We越大，液滴铺展直径系数D*越大而液膜中心高度系数H*越小。在不同We下，D*随t*增加呈现出先增大后减小的变化规律，H*总体上随t*增加呈现出先减小后增大的变化规律。模拟结果表明：对于二维数值模拟，当湿润角为85°时，液滴未出现整体反弹现象，与实验结果不符；当湿润角为120°，在低We下，液滴碰撞颗粒出现反弹现象，与实验结果吻合。三维数值模拟结果和实验结果吻合度较好。提出猜想：二维轴对称模型可能更适用于接触角较大、低速的液滴与颗粒之间的碰撞。综合本文的研究结果，几何模型维数和湿润角对碰撞结果的影响较大，值得进一步研究。

理想壁面Young 方程模型示意图

不同壁面接触角模型

二维轴对称模型       三维模型 

整体网格             颗粒网格

Static Pressure (mixture)[ Pa ] 

Velocity Magnitude (mixture) [ m/s ]

Velocity Magnitude (mixture) [ m/s ]

t=0.1ms
t=2ms
t=4ms
t=10ms
t=20ms
	(a）相图	（b）压力云图	（c）速度矢量图

三维仿真结果中不同时刻的中心截面图（We=21.17，）

（a）中心截面相图	（b）实验结果图	（c）三维模拟相图

三维仿真结果与实验结果对照图（We=52.71，）

仿真的H*和D*随t*变化与实验结果对比图（We=81.50，）

3

扭转度偏差对跨音速压气机性能的影响研究

学生：但玥    

指导教师：史广泰

论文说明：在叶片切削加工过程中，由于受到法向力的作用，扭转度偏差不可避免。本文以跨音速压气机转子Rotor37作为研究对象，基于100组实测扭转度偏差，从中选取出5组典型数据（Plan 1-Plan 5）应用于Rotor37转子，对13个叶片截面进行扭转，以创建偏差模型，进一步利用CFD软件对偏差叶片及原模型叶片进行全工况计算，通过对比分析获得扭转度偏差对Rotor37性能及典型工况流场的影响规律。研究结果发现：随着扭转度偏差的减小，气流通流能力削弱，叶片等熵效率及总压比特性曲线向小流量工况移动，堵塞流量及近失速点流量均减小；同时，扭转度偏差减小，压气机稳定裕度逐渐增大，最大变化率可达到12.288%；另外，当扭转度偏差减小时，设计工况及近失速工况时的激波位置延后，且截面熵值减小，叶顶泄漏涡及泄漏流的相互干扰作用减弱，损失减小，即在扭转度公差范围内，随着扭转度偏差减小，通道内气流流动得到一定的改善。

图1 扭转度偏差示意图 

图2 扭转截面示意图

图3 计算网格示意图

a) 总压比特性曲线

b) 等熵效率特性曲线

图4 Rotor37特性曲线随扭转度偏差变化

a) 设计工况下0.9倍叶高静压 

b) 近失速工况下0.9倍叶高静压

图5 典型工况下静压分布随扭转度偏差变化

a) 设计工况下叶顶泄漏流 

 b) 近失速工况下叶顶泄漏流

图6 典型工况下叶顶泄漏流随扭转度偏差变化

4

钟型进水流道对大寨河闸站泵性能

影响的CFD分析

学生：欧星月

指导教师：王桃

设计说明：本课题来源于实际工程，以大寨河闸站的钟型进水流道水泵装置模型为研究对象，对轴流泵过流部件进行了三维建模，网格划分，并采用ANSYS CFX软件对叶片安放角为0°和-2°的钟型进水流道轴流泵进行了数值模拟，得到了泵外特性参数和内部流场特性，最后也与同组组员计算的方箱型进水流道轴流泵内外特性进行比较分析。结果表明：设计流量下数值计算得到的扬程和效率符合泵站要求，外特性曲线符合轴流泵运行规律；叶片安放角为-2°的轴流泵高效区整体左移，高效点向小流量偏移，性能较0°安放角时有一定程度下降；叶片安放角为0°时，钟型进水流道和方箱型进水流道两种泵的外特性曲线高效区一致，钟型进水流道轴流泵的计算扬程和效率要略高于方箱型进水流道轴流泵；通过内流场对比分析发现方箱型的进水流道内出现了较明显的漩涡，这可能是导致实际工程中方箱型进水流道的轴流泵摆动较大的原因。

叶轮三维模型 

 导叶三维模型

模型装配图

钟型进水流道泵的外特性曲线

叶片安放角为0°时钟型进水流道泵的进水流道出口压力云图

叶片安放角为0°时钟型进水流道泵的进水流道中间剖面压力云图

钟型与方箱型进水流道两种泵的中间剖面流图

5

轴流循环泵集装式机械密封

的结构设计及三维建模

学生：郑雄

指导教师：苟秋琴

设计说明：本次设计的聚丙烯环管反应器轴流循环泵（P201）介质侧主密封是机封行业的标杆性产品。聚丙烯环管反应器内介质包含了液体丙烯、主催化剂、电子体、三乙基铝和白油等。除了白油以外，其他几种介质都是易燃易爆物质，且三乙基铝与空气接触时可迅速氧化甚至自燃。本次针对聚丙烯环管反应器轴流循环泵（P201）介质侧主密封进行设计，根据《机械密封技术》完成动静密封环摩擦面参数计算，弹簧设计，螺旋套设计以及泄漏量校核。在端面设计满足要求后根据密封腔尺寸、泵轴尺寸以及密封环尺寸完成轴套、密封压盖、弹簧座等零件的结构设计。最后利用Solid Edge软件完成机械密封所有零件的三维设计、部件装配等。同时，本次设计在Keyshot软件中模拟了整个机封部件的拆装过程。

本次设计与中密控股联合指导，结合工程实际问题进行研究计算，具有较高的工程应用价值。

6

M40-200型离心泵的水力设计

及两种不同蜗壳几何形态的验证

学生：陈月

指导教师：王桃 严敬

设计说明：依据给定的设计参数，基于国内外两种速度系数资料，在完成泵叶轮水力设计的基础上，利用速度系数法形成两套不同几何形态的蜗壳水力设计图。依据水力设计成果，完成了过流部件的三维建模及网格划分，通过CFD技术，对同一叶轮不同的两蜗壳在若干个相同工况下进行数值模拟，计算比较两种不同几何形态蜗壳的水力性能。结果表明：离心泵中，螺旋形压水室的湿周和进口宽度对蜗壳的水力效率有一定的影响。当泵在大流量工况运行时，采用方案一设计的蜗壳更佳，这是因为该蜗壳的进口宽度更大，使得大流量下流体流过蜗壳的流速相对较小，从而沿程损失也较小，故方案一较方案二效率高。而泵在小流量工况运行时，明显采用方案二设计的蜗壳更优，这是由于过宽的进口宽度在小流量下工作时，进口处的水流会出现较严重的扩散，进而引起局部漩涡消耗能量，这部分耗能会引起扬程及效率的下降；而在进口宽度较小的蜗壳中较少出现这种现象。本文结论可以为离心泵蜗壳的设计提供有价值的参考。

方案一的蜗壳八断面图

方案二的蜗壳八断面图

计算域模型

（a）Q-H对比

（b）Q-η对比

外特性曲线对比

（a）0.8Qr  

（b）1.0Qr

（c）1.2Qr  

（d）1.4Qr

方案一的流场压力云图

（a）0.8Qr 

（b）1.0Qr

（c）1.2Qr   

（d）1.4Qr

方案二的流场压力云图

7

姚山电站机组选型、辅机系统

及厂房布置设计

学生：王紫娟

指导教师：余波

设计说明：以姚山水电站为对象开展水电站的初步设计（水力机械部分）。主要设计路线：水轮发电机组的选型设计、蜗壳和尾水管的流道参数计算、主阀的选择、调节保证计算、调节设备的选择、主厂房平面和剖面布置设计。设计成果：通过计算分析，确定姚山电站布置2台机组，单台机组出力为8.5MW；水轮机型号为HL260-LJ-185，发电机型号为SF8500-24/430。根据电站水头和引水方式配置了PDF57-WY-300蝴蝶阀和YWT-50000-4.0中型水轮机微机调速器。在前述分析计算结果基础上，进行了调节保证计算、厂房布置设计及辅助设备系统图设计。结合主机和辅助设备配置情况，按照“无人值班，少人值守”原则拟定了部分机组控制流程。

8

不同工况下热管内部流动

与传热特性仿真分析

学生：卢昌琪

指导教师：衡亚光

论文说明：两相闭式热虹吸管因其结构简单、制造方便、成本低廉的特点，在热能综合利用和余热回收技术中发挥着重要作用。本文基于Bandar等人的实验，通过计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）仿真的方法，对两相闭式热虹吸管内部流动和传热过程进行了研究。本文设置了充液率为30%、50%、80%，加热功率为172.87 W、275.6 W、376.14 W的工况条件，以研究两相闭式热虹吸管的传热机理与影响其传热性能的因素；此外，本文还设置了工质为变物性的模拟条件，探究在对两相闭式热虹吸管的模拟中，大多数研究人员将工质设置为常物性的原因。结论表明：CFD仿真对两相闭式热虹吸管内部流动和传热传质的研究具有可靠性；在本文研究的工况中，充液率增大会降低两相闭式热虹吸管的传热性能；加热功率增大会增强两相闭式热虹吸管的传热性能；工质为变物性的模拟计算，对模拟结果几乎没有影响，但计算时间成本显著增加。

充液率对热阻的影响

加热功率对热阻的影响

蒸发段蒸发沸腾过程

热虹吸管温度变化情况

9

叶轮背叶片对渣浆泵性能的影响

学生：周炼 

指导教师：何玲艳

论文说明：本毕业论文为研究渣浆泵叶轮背叶片对性能的影响，以150ZJ-I-C42型渣浆泵为研究对象，建立了包含吸水室、叶轮（如图1所示）及蜗壳在内的三维全流道计算模型，如图2所示。基于CFD数值模拟技术，分析叶轮背叶片在不同工况下对渣浆泵外特性参数、轴向力及内流场特性的影响，并与实验数据进行对比，获得背叶片对渣浆泵性能、泵腔压力以及轴向力的影响规律。

通过对计算结果进行分析比较，得到如下结论：

（1）数值模拟结果与实验数据相差不大，该成果具有较高的可信度。如图3所示，渣浆泵在有背叶片与无背叶片的情况下运行，性能曲线有一定差异；增设背叶片后，渣浆泵的扬程和输入功率会明显增大，而效率有所降低。

（2）有背叶片的渣浆泵，轴向力明显变小，且随着流量的增大，轴向力的方向会发生改变，背叶片平衡轴向力的效果也更显著，如图4所示。进一步分析可知，有背叶片后，改变了前、后盖板间的压力分布，前、后盖板的压差明显减小，如图5所示。

（3）本论文研究成果可为渣浆泵的运行和优化设计提供一定参考价值。

图1渣浆泵叶轮

（左：无背叶片；右：有背叶片）

图2 全流道模型示意图

图3渣浆泵的外特性比较  

图4渣浆泵的轴向力比较

图5 不同情况下渣浆泵前、后盖板的压力分布图

10

安河土石坝坝体设计及稳定性分析

学生：陈星霖

指导教师：胡安奎、岳攀

设计说明：本次设计的对象是安河土石坝。首先根据相关规范确定工程级别；通过研究当地地质条件进行坝型选择并确定坝轴线位置；运用大坝特征水位计算并确定大坝高程及其余尺寸，完成坝体轮廓确定；根据建基面以下覆盖层情况进行了基础处理。然后运用Geo-Studio软件Seep/w模块进行渗流计算，得出浸润线及渗流量。接着将结果分别导入软件Slope/w模块和Sigma/w模块进行稳定分析与变形分析。最后进行坝体细部构造设计，并根据设计书进行CAD图纸绘制。

在渗流分析中，考虑了四种不同的工况进行计算设计。结果显示大坝安全性较高，渗流量较小，渗流状态稳定。稳定分析里，验证了施工期、稳定渗流期、水位降落期及地震情况下的坝坡稳定。大坝最危险滑移面的安全系数均在规范允许范围内。符合一般规律，设计方案合理。同时，运用Geo-Studio软件，通过分层填筑验算了几种情况下的坝体应力及变形情况。结果显示，在防渗墙处出现应力集中、弃渣压坡处出现最大变形。设计计算的沉降变形量满足要求，应力状况正常。综上所述，本设计大坝符合规范，满足要求。

坝体横剖面图

正常蓄水位渗流分析结果

正常蓄水位下游坝坡最危险滑移图

水位降落期上游坝坡最危险滑移图（至死水位）

正常蓄水位时网格变形图

正常蓄水位时竖直应变图

正常蓄水位时水平应变图

正常蓄水位时总应力图（单位：kpa）

往期回顾

☛能源与动力工程学院召开考研经验交流与动员会

微信ID:西华大学能源与动力工程学院

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编辑： 彭季科

责编：肖维    王希

审核：江启峰 方晴

文字、图片来源：能动教学办公室