螺旋离心泵内固液两相非定常流动的数值计算与分析

摘要

螺旋离心泵是一种具有极好的无堵塞、无缠绕与损伤少的新型杂质泵。它在污水的排放以及食品、造纸等工业部门已得到了广泛的应用。螺旋离心泵和一般离心泵的主要区别在于装有螺旋离心叶轮，叶轮进口部分为螺旋叶片，出口部分近似于混流叶片，螺旋部分有容积泵的作用，离心部分将叶轮能量在蜗壳内转化成输送介质向外的压力能，其独特的结构使其具有螺旋泵和离心泵的双重优点。
　　 目前螺旋离心泵两相流的数值模拟大多采用定常的数值模拟，虽然能在一定程度上能反应其内部流场的特性，但它没有较真实地反映螺旋离心泵内部的复杂流动情况，造成分析内特性时不够精确，进而对提高螺旋离心泵的外特性方面产生了不利的影响，本课题拟对螺旋离心泵内的固液两相流进行非定常的数值计算，从而得到比较反映物理真实的螺旋离心泵内部固液两相流流场的特性，为提高其性能提供理论依据和参考。
　　 本课题的主要研究内容如下：
　　 1、根据螺旋离心泵的结构特点以及其内部两相流场特点，忽略轮毂与后盖板间的间隙流动，对螺旋离心泵流动区域进行了简化，并将其划分为进口区域、叶轮旋转区域和蜗壳三个区域；
　　 2、利用PRO/E对150×100LN-32型螺旋离心泵进行三维实体建模，利用ICEM对三个流动区域分别进行网格的划分，再分别导入FLUENT进行合并；
　　 3、利用FLUENT软件对150×100LN-32型螺旋离心泵进行了非定常数值模拟，对其外特性跟内流场进行了分析，获得了螺旋离心泵外特性与内流场随着叶轮的旋转在不同时刻下的变化规律；
　　 4、利用FLUENT软件对150×100LN-32型螺旋离心泵在5种不同流量、5种不同固相体积浓度下的内部多相流流场进行了数值模拟与分析，获得了不同流量和不同固相体积浓度对其外特性跟内流场(压力、速度、流线)的影响。
　　 本课题的创新点如下：
　　 1、对150×100LN-32型螺旋离心泵内部多相流进行了深入的研究，提出采用Mixture多相流模型、标准k-ε湍流模型以及滑移网格技术对螺旋离心泵内部流场进行了非定常数值模拟的方法；
　　 2、通过设置监测点方法获得了螺旋离心泵的压力脉动特性以及轴向力、径向力等诱导力特性。
　　 本课题的结论如下：
　　 1、通过对清水介质在额定工况下一个周期的非定常数值计算，得出效率、扬程、轴向力、径向力随叶轮相位角变化的波动规律以及蜗壳中截面压力和流道轴截面流线随叶轮的旋转在不同时刻的变化规律；
　　 2、通过对含沙水在不同流量下一个周期的非定常计算，得出蜗壳出口面压力、叶轮所受轴向力、径向力以及扭矩随流量的改变在一个周期内的波动规律，并且分析了叶片工作面、背面、蜗壳中截面的压力以及固相体积浓度在不同流量下不同时刻的变化规律；
　　 3、通过对含沙水在不同固相体积浓度下一个周期的非定常计算，得出了蜗壳出口面压力、叶轮所受径向力、轴向力、扭矩以及蜗壳壁面监测点随固相体积浓度的改变在一个周期内的波动规律，并且分析了叶片工作面、背面、蜗壳中截面的压力、速度、固相体积浓度分布以及轴截面流线在不同固相体积浓度下不同时刻的变化规律。