螺旋离心泵内气液两相流及结构动力特性研究

摘要

为了输送港口活鱼，瑞士工程师Martin Sthale于上个世纪60年代发明了带有螺旋形叶片的泵，由于它集螺杆泵与离心泵的优点于一体，被称作螺旋离心泵，已广泛地应用于世界各大港口。由于螺旋离心泵输送介质多带直径较大的固体颗粒或者细长的纤维状组织物，所以螺旋离心泵的无堵塞性能和抗磨损性能得到足够的重视，国内外对螺旋离心泵的固液两相流的问题已经进行了较为充分的研究，并且取得了丰硕的成果，解决了大量的工程应用问题。螺旋离心泵输送含有大直径颗粒介质时必定伴随产生大量的气泡，所以对螺旋离心泵进行气液两相流方面问题的研究便显得十分必要。
　　本文通过对螺旋离心泵的三维建模、网格划分以及进行了全流道的定常数值模拟，总体分析了在输送气液两相流介质工况下螺旋离心泵的内部流场特性，并且对该模型泵流道内气相分布规律和结构动力特性进行了更深层次的研究，得出结论如下：
　　1、在叶轮域内，气体主要分布在叶轮中心部位，随着气相体积分数的增大，气体在叶轮中的分布逐渐趋于均匀；相同含气量下，随着叶片包角的增加，由于叶片工作面是直接做功部件，在离心力的作用下，气相被叶片工作面轴向推送至叶片背面，使叶片工作面上的气体含量比叶片背面小，这种现象将会导致叶片背面的汽蚀会比较严重；
　　2、相对叶轮域内的气相分布，蜗壳域内的气相体积分数分布更加均匀，而且其气相体积分数均大于叶轮域内的气相体积分数，其出口附近的气相体积分数基本接近泵入口处的体积分数值；
　　3、输送气液两相流工况下过流部件上的静压分布与输送清水工况下过流部件表面静压分布规律相似，整体变化趋势较接近，但当输送气液两相流时，计算域内过流部件表面压力均较清水工况下小，而且随着气相体积分数的增加，相同部位上的静压逐渐减小，泵输送能力受限；
　　4、输送气液两相流时，叶轮入口附近的负压较严重，并且随着含气量的增加，叶片工作面和背面入口处负压现象加剧，这对该泵的输送性能和汽蚀性能均有很大影响，由于气体密度较清水小，在叶轮旋转的离心力带动作用下，气体在叶轮入口附近聚集，并且很难被甩出；
　　5、随着气相体积分数的增加，泵出口面上的静压逐渐降低，随着输送气体含量的增大，螺旋离心泵输送性能直线下降，从不同气相体积分数下的扬程变化可以看出，随着气相体积分数的增加，泵总体扬程趋于直线下降趋势，随着气相体积分数增加，螺旋离心泵输送效率逐渐减小，体积分数的变化对扬程和效率的影响幅度均比较大。
　　6、系统的第一主应力的最大值出现在键与泵轴连接处，最大变形发生在叶轮出口轮缘位置处，叶片最大应力出现在叶轮出口靠近轮毂位置处，系统各个工况点相应位置的应力值，与流量呈现负相关，与扬程呈现正相关的关系。
　　7、小流量工况下整个转子部件的强度校核显示，结构完全能够满足强度要求，该螺旋离心泵的叶轮不会发生由于强度不足而失效的事故。
　　8、在各种载荷特别是流体反作用力等预应力作用下，与自由振动情况相比，结构的模态分布几乎没有发生变化，无论是振型或者固有频率分布都基本没有变化，这说明预应力的作用对结构的模态分布几乎没有影响，其并没有显著改变结构各个方向的刚度，结构也就没有发生应力刚化或者应力软化的现象。
　　9、相比于在空气中，结构在水中的相应振型幅值以及固有频率都明显下降，固有频率的降幅大概在10％左右，水介质的阻尼作用能够起到明显的减少振动的作用。

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第一章 绪论

1.1 课题名称

1.2研究目的

1.3 研究现状

1.4主要研究内容

1.5主要技术路线

第二章 流固耦合简介及在ANSYS分析中的应用

2.1 流固耦合应用及基本理论

2.2 流固耦合计算方法

2.3 本章小结

第三章 计算模型及网格划分

3.1计算几何模型

3.2网格的划分

3.3 本章小结

第四章 螺旋离心泵输送气液两相流介质时的数值模拟及结果分析

4.1数值模拟方案设计

4.2螺旋离心泵输送清水介质下的数值模拟及结果分析

4.3螺旋离心泵输送气液两相流介质下的数值模拟及结果分析

4.4 本章小结

第五章 结构的应力分析及转子部件的模态分析

5.1 基本理论

5.2应力分析

5.3 模态分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

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