固液两相流凸轮转子泵的内部流场数值模拟

摘要

凸轮转子泵属于典型的容积式的回转机械。现已广泛应用于石油化工、日用化工、环保、造纸、制药、冶金等多个领域。而在这些应用中输送的介质往往是多相流且介质中往往含有大量的颗粒，这些颗粒可能会对泵内部的部件造成磨损。通常把不同相的流体混合在一起（两种或两种以上）的流动称为多相流，其流动性要比单向流复杂得多。所以，为了更深一步地了解凸轮转子泵内部流场规律，就必须对输送多相流介质的内部流场进行研究。
　　本文采用数值模拟来分析凸轮转子泵内部固液两相流动的规律，建立了凸轮转子泵的流道计算模型，使用FLUENT软件分别对凸轮转子泵在输送清水介质和两相流介质下的内部流场进行数值模拟。对比分析了在旋转一个周期内输送清水介质和两相流介质泵内部压力场和速度场的分布情况以及不同颗粒浓度和颗粒直径大小对固液凸轮转子泵内部流场的影响，为日后实验提供了理论依据。
　　本文的工作主要如下:
　　1.详细论述了国内外学者关于凸轮转子泵的发展状况以及固液两相流方面的相关研究概况。
　　2.把简化的三维计算模型导入ICEM软件进行网格划分，并进行网格光顺，使得网格满足后续计算要求。之后把网格文件导入FLUENT软件，采用RNG k-ε湍流模型、PISO算法和耦合隐式求解器，压力项采用PRESTO!格式离散，其余采用二阶精度的格式离散的方法。
　　3.运用AUTOCAD软件精确地绘制了凸轮转子泵转子的二维模型，导入PROE软件进行转子的三维造型，最后绘制出出入、口和泵外壳。导入ICEM专业划分网格软件进行网格划分。最后将划分完毕的mesh文件导入到FLUENT里进行清水和含颗粒水模拟分析，并进行对比分析。
　　4.通过数值模拟得出了在输送两相流介质时，一个周期内随着颗粒直径和浓度的变化，泵内壁及转子表面的磨损类型会发生改变。随着颗粒直径和颗粒浓度增加，磨损类型由滑动磨损慢慢转变为冲击磨损，加剧了内壁及转子表面的磨损。尤其是在大直径、高浓度颗粒下，转子齿顶和啮合处附近会有局部磨损的现象，为进一步深入研究固液凸轮转子泵磨损机理以及优化提供了参考。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 课题研究的来源、背景

1．1．1 课题研究来源

1．1．2 课题研究的背景

1．2 凸轮转子泵的研究现状

1．3 固液两相流研究概况

1．3．1 单颗粒动力学模型

1．3．2 颗粒轨迹模型

1．3．3 扩散模型

1．3．4 悬浮液模型

1．3．5 单流体模型

1．3．6 双流体模型

1．4 国内外研究现状

1．4．1 国外固液两相流的相关研究

1．4．2 国内固液两相流的相关研究

1．5 本论文的研究内容

1．6 本章小结

第2章 凸轮转子泵几何模型的建立

2．1 凸轮转子泵简介

2．1．1 凸轮转子泵的结构特点

2．1．2 凸轮转子泵的工作原理

2．2 数学模型的建立

2．2．1 转子型线的设计

2．2．2 泵外壳的设计

2．3 转子干涉检测

2．4 本章小结

第3章 凸轮转子泵内部流场计算建模与网格生成

3．1 内部流场计算模型的网格划分

3．1．1 网格划分技术简述

ANSYS ICEM-CFD简介

3．1．3 ICEM-CFD网格建立过程

3．2 模型的导入

3．2．1 出入、口区域的网格划分

3．2．2 简化旋转流场部分并进行网格划分

3．3 本章小结

第4章 凸轮转子泵内部流场的数值模拟

4．1 CFD计算软件FLUENT简介

4．2 体类型设定

4．3 统一单位

4．4 网格检查

4．5 平滑和交换网格

4．6 边界类型设定

4．6．1 进出口边界

4．6．2 壁面边界

4．7 求解器与计算模型的确定

4．7．1 求解器的选择

4．7．2 确定计算模型

4．8 基于FLUENT软件的内部流场分析

4．8．1 CFD基本控制方程

4．9 多相流模型的选取和比较

4．9．1 VOF模型

4．9．2 Mixture模型

4．9．3 Eulerian模型

4．10 本文应用的多相流模型

4．10．1 动静部件耦合模型

4．10．2 数值计算的各项参数

4．11 定义材料

4．12 定义相

4．12 轮廓UDF文件的选择

4．13 动网格介绍及其设置

4．14 定义离散方法

4．15 计算的初始化和迭代

4．16 收敛标准

4．17 计算结果后处理

4．18 本章小结

第5章 数值模拟结果及分析

5．1 输送清水时泵的内特性

5．1．1 速度场

5．1．2 压力场

5．2 输送固液两相介质对泵性能研究

5．2．1 颗粒浓度对泵性能影响

5．2．2 不同颗粒直径下结果分析

5．3 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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