旋流式无堵塞泵优化设计与内流场PIV试验研究

摘要

旋流泵结构特殊，内部流动十分复杂，由于其抗缠绕、无堵塞性能好，因此广泛应用于工业浆料输送、城市排污、农业生产养殖等领域，特别适合于浆料、泥浆的输送。然而，目前旋流泵的效率普遍偏低，能耗较大，在输送纸浆时，低效不仅浪费了水资源，带来了环境污染，同时增加了纸浆输送能耗。旋流泵叶轮为半开式，叶轮安装在后泵腔，前泵腔为一个宽广的无叶腔区，由于无堵塞性要求高，叶轮出口离蜗壳进口有一定的距离。因此，旋流泵运行时，叶轮前盖板端面有直接流入流出的现象，无叶腔内同时包含着多种复杂的流动，导致旋流泵的水力损失较大，叶轮对介质做功并没有全部转化为压能，而是部分能量传递到无叶腔的贯通流和循环流中，这是导致旋流泵的效率和扬程低下的主要原因。
　　本文以型号为SCP200-400的原型泵为例，分析比转数ns=166型旋流泵结构参数，基于正交优化设计法、PCAD优化设计软件、CPF数值预测软件、PIV粒子成像测速技术以及压力脉动试验等手段，通过多种方法剖析旋流泵内部的流动特性，从而研究旋流泵的内部流动机理，研究的主要内容和取得的创造性成果如下:
　　(1)以型号为SCP200-400的原型泵为例，结合其外特性，分析该型号旋流泵的结构特点，并基于CFD数值计算软件，通过网格无关性分析与湍流模型分析，找出该泵的网格数和较好的湍流模型，为接下来的原型泵优化设计提供基础。
　　(2)分析原型泵试验结果和结构参数，找出影响旋流泵性能的主要结构参数，初步确定叶轮外径D2、叶片数Z、叶片宽度b、叶片出口安放角β2、叶片进口安放角β1为主要结构参数。然后利用正交试验法，对每个因素选取四个水平，选用L16(45)正交表，配置出十六种方案，采用PCAD水力设计软件，设计出十六副叶轮水力模型图，通过前述的CFD数值模拟方法，对十六种方案进行额定工况下的数值计算，应用正交分析法得出各因素对效率和扬程的影响规律，并分析单因素分别对效率和扬程的影响主次。为了更准确地找出影响旋流泵性能的主要结构参数，再次选取小范围内的因素和水平数，进行二次正交试验，最终得出性能较优的方案。
　　(3)旋流泵在输送纸浆、泥沙等介质时，固相对主要过流部件产生磨蚀，特别是叶片表面的磨蚀比较严重，导致泵不稳定性增加。然而在实际运行过程中，由于固相的存在，加上污水的透明度不高，很难通过实验拍摄手段研究内部流场的固相流动和分布情况。因此，通过数值计算预测软件，在额定流量工况下，分别对三种不同粒径即0.1mm、0.5mm及1.0mm，和三种不同的固相体积分数即1％、5％及10％的固液两相流动进行数值计算，分析其对旋流泵内部流动的影响规律，研究固相对叶轮壁面的磨损情况。
　　(4)为了能更深层次地研究旋流泵的内部流动机理，设计出三种不同叶轮参数的模型，加工成模型泵，进行外特性试验，并与数值计算结果对比分析。基于PIV粒子成像测速技术，从内部流场流动特性出发，探索性研究旋流泵内部流动机理，分析无叶腔中复杂的流动模型。研究发现，叶片安放角较大时，叶片内部更容易产生多种不同的漩涡;当叶片安放角减小后，流道变得较狭窄，叶片对液体的束缚力增强，在流量不变的情况下，狭窄的流道贯流速度较大，叶片从工作面流入到背面的液体流速被抵消减弱，不容易形成漩涡流动。无叶腔中的相对流动速度是随着流量的增大而增大的，反过来，我们发现无叶腔中的绝对流动，即循环流速随着流量的增大而减小。无叶腔内环面的循环流速明显强于外环面的循环流速，且内环面的贯通流为其主要的流动方式。
　　(5)为了从不同角度研究旋流泵内部的流动状态，在模型泵的蜗壳上进行钻孔定位，分别通过试验研究与数值预测两种方式，研究流场非对称性流动造成的蜗壳内流场的压力脉动特性，以及蜗壳内瞬态静压波动情况，分析旋流泵不稳定运行的特性。研究发现，蜗壳内监测点的压力脉动主频并非在一倍叶频区，而是在一倍转频区附近，说明造成蜗壳内压力波动较大的主要原因是泵的转频，而非叶频。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 旋流泵的结构特征

1．2 旋流泵国内外的研究背景及意义

1．2．1 旋流泵结构参数对性能的影响

1．2．2 内部流动的研究和流动模型的提出

1．2．3 旋流泵固液两相流动研究进展

1．2．4 泵内部流场PIV试验的研究现状

1．2．5 压力脉动的研究现状

1．3 本课题研究的主要内容和意义

1．3．1 研究的目的

1．3．2 研究的内容

1．3．3 研究的意义

第2章 原型泵试验分析与数值计算研究

2．1 原型泵外特性分析

2．1．1 旋流泵的性能参数

2．1．2 原型泵试验结果分析

2．2 数值计算研究

2．2．1 CFD数值计算简介

2．2．2 计算区域的确定

2．2．3 网格划分

2．2．4 边界条件的设定

2．2．5 计算结果分析

2．2．6 网格无关性检查

2．2．7 湍流模型验证

2．3 原型泵的数值计算和试验结果对比

2．4 本章小结

第3章 基于CFD正交试验的旋流泵优化设计

3．1 正交试验的概况与意义

3．2 旋流泵的正交试验设计

3．2．1 原型泵叶轮设计参数及设计要求

3．2．2 试验目的

3．2．3 试验指标

3．2．4 确定试验因素和因素水平

3．2．5 选取正交表

3．3 PCAD水力设计

3．3．1 设计软件PCAD介绍

3．3．2 PCAD水力设计

3．4 CFD数值计算

3．5 正交试验结果分析

3．6 原型泵与优化泵性能对比分析

3．7 本章小结

第4章 旋流泵固液两相流计算分析

4．1 固体颗粒的两相流动方程

4．1．1 基于固液两相流体模型的旋流式无堵塞泵固液流动控制方程

4．1．2 含固体颗粒的固液两相流间的相互作用力

4．2 旋流式无堵塞纸浆泵固液两相流计算

4．3 旋流式无堵塞纸浆泵固液两相流特性数值分析

4．3．1 单一粒径和浓度的固液两相数值计算内流场分析

4．3．2 固相颗粒浓度的变化对内流场分布的影响

4．3．3 颗粒直径和浓度对旋流泵性能的影响

4．4 本章小结

第5章 旋流泵内部流场的PIV试验研究

5．1 模型泵相似换算

5．1．1 相似理论

5．1．2 泵相似定律

5．1．3 模型泵相似换算

5．2 PIV测试系统及试验台的设计

5．2．1 PIV测量的基本准则

5．2．2 PIV系统与设备

5．2．3 PIV试验台的设计

5．3 试验方案及注意事项

5．3．1 外特性试验方法

5．3．2 PIV试验方法

5．3．3 PIV试验拍摄方案

5．4 试验结果与分析

5．4．1 模型泵的外特性

5．4．2 流场的后处理

5．4．3 不同流量工况下的叶轮速度场分布

5．4．4 不同流量工况下的无叶腔速度场分布

5．4．5 相同流量工况下不同模型泵的速度场分布

5．4．6 小流量工况下不同相位的速度场分布

5．5 本章小结

第6章 旋流泵压力脉动试验与数值计算分析

6．1 旋流泵压力脉动试验监测点布置

6．2 压力脉动试验结果与分析

6．2．1 模型泵压力脉动时域分析

6．2．2 模型泵压力脉动频域分析

6．3 压力脉动数值计算结果与分析

6．3．1 模型泵压力脉动时域分析

6．3．2 模型泵压力脉动频域分析

6．4 本章小结

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研工作