单伸式双叶片环保泵优化设计及内部流场PIV试验研究

摘要

前伸式双叶片环保泵属新型高效无堵塞泵，效率高，污物通过能力强。由于该类型的无堵塞叶轮形状特殊，应用广泛，因此在国内外成为了环保泵研究的热点和难点。目前，除瑞典飞力公司、美国Vaughan公司等生产具有切碎与搅拌等功能的特种潜水排污泵即潜水切碎泵以外，国内还没有企业研究与生产潜水切碎泵。同时，国内的多功能清淤切割排污装置、新型涡旋前伸式无堵塞泵等特种环保用泵产品也尚处于研究和试制阶段，尚未形成生产规模，产品的可靠性也有待进一步的提高。
　　本文在国家科技支撑计划项目“高效环保用泵关键技术研究及工程应用（项目编号:2011BAF14B01）等的资助下完成。基于理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，对WQ800-40-132型前伸式双叶片环保泵样机进行了水力设计并优化，完善了此类高效无堵塞环保泵的设计方法，并对叶轮的前缘后掠角进行深入研究，探究其对泵水力性能的影响;设计了低比转速WQ17-9-1.1型前伸式双叶片环保泵，采用PIV技术对其进行内部速度场测量，并在理论分析、数值模拟的基础上，基于三维流场分析，研究前伸式双叶片环保泵的性能预测方法。研究的主要内容及取得的成果如下:
　　(1)以WQ800-40-132型前伸式双叶片环保泵作为研究对象，主要对叶轮进行优化，选择了其叶轮进口直径Dj、叶轮外径D2、叶片出口安放角β2b、叶片包角θ四个几何因素，第一阶段选用L9(34)正交表进行正交设计，设计出9副叶轮，对叶轮、蜗壳在内的前伸式双叶片环保泵进行数值模拟，获得9组设计方案额定点的效率、扬程及功率，应用极差分析与多指标综合平衡法选出泵设计的最佳参数;第二阶段将二次回归通用旋转设计安排在正交组合法所确定的最佳条件附近，得到30组设计方案，采用CFD进行计算，分析结果以建立效率与各因素的定量关系，再通过响应面法精确得出泵的最佳设计条件。结果发现:在给定范围内，对泵效率影响的主次顺序为β2b＞D2＞θ＞Dj;对于中高比转速的前伸式双叶片环保泵，其叶片出口安放角应取β2b=15°～25°。
　　(2)以WQ800-40-132型前伸式双叶片环保泵为研究对象，针对其前缘后掠角这一主要几何参数，设计了4种前缘后掠角分别为60°、100°、140°、180°的前伸式双叶片环保泵叶轮模型。从泵的外特性分析了前缘后掠角对泵整机性能的影响规律，结果发现:随着前缘后掠角的增加，大流量工况下扬程上升，泵所需轴功率增大，最高效率点向大流量工况方向偏移;从泵的内部流场分析了前缘后掠角对进口流场的影响规律，结果发现:随着前缘后掠角增大，进口外周边的叶片工作面处出现回流，并在前缘上方形成旋涡，存在较大水力损失。通过数值模拟结果与样机的试验结果对比，发现模拟结果准确、可用，研究结果对前伸式双叶片环保泵的优化设计具有较好的参考价值。
　　(3)为了采用PIV技术研究前伸式双叶片环保泵的内部流场，设计了WQ17-9-1.1型前伸式双叶片环保泵，通过外特性试验，得到外特性曲线，在流量Q为21.1m3/h时，其效率η最高，为61.9％，对应的扬程H为8.2m。此后采用PIV试验手段，分析了泵在不同流量工况(Q/Qn=0.4、0.6、0.8、1、1.2、1.4、1.6)下叶轮内的相对速度流场分布，研究了轴向旋涡和低速区随流量变化时的形态特性以及变化机理，发现在流道中部靠近叶片工作面上存在低速区及轴向旋涡，且随着流量的增大，低速区与轴向旋涡逐渐减小;分析了在流量Q/Qn=0.6时叶轮和蜗壳不同相对位置时的相对速度流场，研究了叶轮和蜗壳之间的干涉作用对轴向旋涡的影响，发现当轴向旋涡经过蜗壳的隔舌时，其与叶轮之间的干涉作用使得轴向旋涡向下游偏移。采用不同湍流模型对PIV试验泵WQ17-9-1.1进行非定常数值模拟，发现k-ε模型模拟结果与PIV试验测量结果较吻合，同时对WQ800-40-132采用k-ε模型进行数值模拟，发现叶轮内部流动规律与WQ17-9-1.1叶轮内部流动规律一致，即不同比转速的前伸式双叶片环保泵内部流动具有一定的相似性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 前伸式双叶片环保泵

1．2．2 泵的优化设计研究现状

1．2．3 前缘后掠角的研究现状

1．2．4 泵内部流场PIV试验的研究现状

1．3 本文主要研究内容

第二章 前伸式双叶片环保用泵的回归分析及优化设计

2．1 引言

2．2 过流部件的水力设计及三维造型

2．2．1 叶轮的水力设计及三维造型

2．2．2 蜗壳的水力设计及三维造型

2．3 正交组合法研究

2．3．1 试验目的

2．3．2 确定试验因素和试验方案

2．3．3 正交组合法结果分析

2．4 二次回归研究

2．4．1 回归试验方案设计

2．4．2 结果分析

2．4．3 样机试验与回归优化分析

2．4．4 优化结果对设计方法的反馈

2．5 本章小结

第三章 不同前缘后掠角的双叶片环保泵性能模拟与试验

3．1 模型的基本参数

3．1．1 叶轮和蜗壳基本参数

3．1．2 前缘后掠角的定义

3．2 数值模拟

3．2．1 模型建立

3．2．2 计算区域

3．2．3 结构化网格划分

3．2．4 求解模型及边界条件

3．3 模型试验及对比

3．4 不同前缘后掠角环保泵的外特性曲线分析

3．5 不同前缘后掠角环保泵的内流场分析

3．5．1 总压力分布

3．5．2 叶轮湍动能分布

3．5．3 进口前缘速度场分布

3．6 本章小结

第四章 前伸式双叶片泵内部流场的PIV试验研究

4．1 叶轮和蜗壳的水力设计

4．2 PIV测试系统及试验台的设计

4．2．1 PIV测量的基本准则

4．2．2 PIV系统与设备

4．2．3 PIV试验台的设计

4．3 试验方案及注意事项

4．3．1 外特性试验方法

4．3．2 PIV试验方法

4．3．3 PIV试验拍摄方案

4．4 试验结果与分析

4．4．1 试验泵的外特性

4．4．2 流场的后处理

4．4．3 不同流量工况下的速度流场分布

4．4．4 小流量工况下不同相位的速度流场分布

4．5 不同湍流模型的三维非定常数值模拟研究

4．5．1 计算域的确定

4．5．2 网格划分

4．5．3 边界条件与数值模拟参数设置

4．5．4 不同湍流模型的数值模拟结果对比

4．6 WQ800-40-132叶轮内相对速度流场数值模拟

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 研究总结

5．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的学术论文