旋流泵内流机理及叶片型式对内流结构影响的研究

摘要

随着社会工业化和智能化的提高，人类对机械应用和依赖程度越来越高。作为重要的动力源之一的泵，在工业、农业等领域有着广泛的应用。而无论轻、重工业还是农业、城市给排水都需要输送含有固体颗粒悬浮物或纤维状悬浮物液体的泵，这就对泵的防堵塞性能提出了更高的要求。因此，无堵塞泵已成为近年来国内外热门的前沿课题和重点开发产品。旋流泵因其出色的无堵塞性，目前是无堵塞泵中应用较广的泵型。目前，针对优化旋流泵性能的研究多建立在假设、数值模拟之上，大多只考虑了无叶腔的几何参数对循环流的影响，对叶轮及叶片型式对循环流形成机理影响的研究不够深入。 相较于其它叶片泵，旋流泵的主要问题是效率较低，为了探求旋流泵内符合固液两相流实际流动的规律特性，本文以自主设计的旋流泵为研究对象，采用数值模拟与试验相结合的方式进行研究。其中，数值模拟以RNG k-ω模型为湍流模型进行定常计算，算得静压、涡量及速度云图。进行试验时，选用配有1/4R60L30型式叶轮的旋流泵为试验泵，利用高速动态摄像机捕捉试验台上旋流泵各工况时的内部流动状态，通过流量计、压力表及扭矩转速仪等设备测得试验台上的实时数据。然后，对比数值模拟得到的结果与试验台上所得结果，从而验证并分析旋流泵的内流结构与性能变化间的关系。最后，分析比对设计的14种叶片型式对旋流泵内流结构分布及性能的影响。 通过对不同工况下数值模拟结果及试验台试验结果进行对比，分析旋流泵内的流动形式分布及演化，进一步研究循环流在内流场中所起的作用。研究发现：旋流泵内流域可分为两部分进行研究，叶轮域中主要以水力撞击、涡旋及贯通流等流动形式为主，无叶腔域中则以循环流和贯通流为主；其中，无叶腔中的循环流在受到多种因素的共同作用下，在无叶腔中表现为一组对称布置的主、次循环流组；鉴于循环流在流道内的行为模式，本文在分析时将其做涡结构的类比，由此总结出一个新的旋流泵内流结构模型。在对比过不同叶型下旋流泵的数值模拟结果后，分析泵内流动结构分布的差异，获得结论如下：叶片型式对泵内流动结构的影响主要体现在对叶轮中涡旋位置分布、尺度的改变以及无叶腔中循环流整体流速及行为表现的影响上，其中，折叶片型旋流泵的整体性能表现最佳。基于本文的研究结果，在优化旋流泵性能时可以从优化叶片型式入手，根据不同实际需求改变叶型，使旋流泵达到最佳运行状态。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 研究背景及意义

1.3国内外研究现状

1.3.1旋流泵发展史

1.3.2旋流泵设计方法

1.3.3 旋流泵性能研究

1.3.4内部流动模型

1.3.5多相流输送特性研究

1.4本文主要研究内容

第2章 旋流泵模型建立及数值方法

2.1计算模型的建立

2.1.1模型泵及其几何参数

2.1.2 叶片设计

2.2 数值方法

2.2.1流场建模及网格划分

2.2.2数值计算方法

2.3本章小结

第3章 清水介质下旋流泵内部流动机理研究

3.1研究方案

3.1.1截面选取方法

3.1.2研究方法

3.2流道内流动结构演化分析

3.2.1设计工况下旋流泵的内流结构分布

3.2.2叶轮内流动结构演化及工况引起的变化

3.2.3无叶腔内流动结构演化

3.3试验结果与数值模拟结果对比

3.4本章小结

第4章 循环流对旋流泵流动特性的影响

4.1表征参数确定

4.1.1旋流泵内循环流涡结构

4.1.2形状系数F

4.1.3几何关联系数S

4.2旋流泵内能量转换过程

4.3循环流对旋流泵能量转换的影响

4.3.1形状系数对能量转换的影响

4.3.2几何关联系数对能量转换的影响

4.4本章小结

第5章 不同叶型对旋流泵内流结构的影响

5.1叶型对旋流泵外特性的影响

5.1.1偏转角对直叶片型旋流泵的影响

5.1.2折点位置及叶片倾角对折叶片型旋流泵的影响

5.1.3弯叶片性能曲线及与相应折叶片的对比

5.2 叶型对旋流泵内流结构分布的影响

5.2.1各直叶片叶轮的模拟结果对比

5.2.2各折叶片叶轮的模拟结果对比

5.2.3弯叶片的模拟结果分析

5.3叶片偏转方向与叶轮转向的一致性对旋流泵性能的影响

5.3.1直叶片

5.3.2折叶片

5.4本章小结

结论与展望

一、结论

二、展望

参考文献

致谢

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