喷灌自吸泵自吸过程气液两相流动的数值模拟研究

摘要

自吸泵是利用泵的特殊结构及气液混合原理实现抽吸气体的一种特殊的离心泵，具有性能可靠，使用方便等特点，广泛应用于农业排灌、建筑工程、矿山排水等领域。由于自吸过程中的气液两相流动十分复杂，影响自吸泵自吸性能的科学问题和关键技术尚未解决，目前还没有形成完整的自吸泵内部流动机理，我国自吸泵设计基本上仍停留在半理论半经验阶段。喷灌自吸泵自吸过程是一个非常复杂的瞬态气液两相流动过程，自吸过程中气水混合及分离效果的好坏，是决定自吸泵自吸性能的关键。
　　 本文结合喷灌自吸泵自吸过程试验，通过对自吸过程进行数值模拟，提出了自吸泵气液两相流动数值模拟方法，初步揭示了自吸泵自吸过程内部流动规律。本文主要研究工作及研究成果如下:
　　 1.选用65ZB-40C外混式喷灌自吸泵作为研究对象，对自吸泵进行三维造型、网格划分及定常数值计算，将定常计算结果与试验结果进行对比，验证数值计算模型的准确性。
　　 2.利用CFD软件的UDF功能，加载试验所得启动过程中叶轮的转速变化曲线及泵出口压力变化曲线，模拟了启动过程中气液混合现象及气液分离现象。获得了气液分离室进口、回流孔、蜗壳各断面及叶轮内监测点的含气率变化曲线。结果表明，叶轮外缘出现了明显的气液混合层，气液分离室进口回流现象明显;启动过程初期泵运行的不稳定，使气液分离室进口及蜗壳隔舌处含气率出现明显的振荡，气泡在叶轮中不断地生成及溃灭是造成叶轮上监测点含气率振荡的原因。
　　 3.使用UDF功能，加载泵进口速度变化曲线，结合滑移网格技术，对自吸泵自吸瞬态过程进行了数值模拟。将叶轮划分为8个区域，将蜗壳划分为10个断面并设定监测点，展示了自吸过程中自吸泵叶轮各区域、蜗壳各断面监测点及其它关键监测面的压力、体积含气率及速度的变化过程。结果表明，在自吸初期和末期，泵内部多数区域压力和体积含气率存在着一个迅速变化过程，叶轮进口、蜗壳各断面、回流孔及气液分离室进口处的速度在自吸初期存在振荡，表现出明显的瞬态效应。
　　 4.从内部流态、叶轮做功和能量耗散三方面分析模拟结果，展示了不同工况叶轮各过流断面功率分布情况。叶轮做功、湍动能耗散率分布等能量转换相关特征。结果表明，定常及自吸瞬态内部流态差异明显，各工况下功率随着叶轮直径的增大而增大，叶轮功率在进口部分增长缓慢，在中后部增长迅速，叶轮做功方式主要为压力做功。小流量工况下较大湍流耗散率的区域较设计工况有明显扩大，大流量工况下，隔舌附近及靠近隔舌的叶轮流道进口湍流耗散率明显增大，自吸20s时较大湍流耗散率区域分布广泛，主要集中于叶轮中后部区域。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 喷灌自吸泵的种类及工作原理

1．2．1 气液混合式

1．2．2 射流式

1．2．3 水环轮式

1．3 国内外研究现状

1．3．1 自吸泵结构对自吸性能的影响的研究现状

1．3．2 自吸泵内部流动的理论分析和试验研究现状

1．3．3 旋转机械内气液两相流动的数值模拟研究现状

1．3．4 自吸泵内部气液两相流动的数值模拟研究现状

1．3．5 离心泵启动瞬态流动研究现状

1．4 本文的研究内容及意义

1．4．1 研究的主要内容

1．4．2 研究的目的和意义

第二章 喷灌自吸泵的外特性试验与自吸过程试验

2．1 喷灌自吸泵的外特性试验

2．1．1 试验目的

2．1．2 模型泵水力结构参数

2．1．3 试验系统

2．1．4 试验结果

2．2 喷灌自吸泵的自吸过程试验

2．2．1 试验目的

2．2．2 试验系统

2．2．3 试验过程

2．2．4 试验结果及分析

2．3 本章小结

第三章 喷灌自吸泵定常数值模拟

3．1 概述

3．2 模型泵的网格生成

3．2．1 喷灌自吸泵的三维造型

3．2．2 喷灌自吸泵内部流动区域网格生成

3．3 三维湍流的数值计算

3．3．1 泵内部流动控制方程

3．3．2 湍流计算模型

3．3．3 流体控制方程的数值离散及求解

3．3．4 计算方法

3．3．5 边界条件设定

3．3．6 水力性能模拟与试验对比

3．4 本章小结

第四章 喷灌自吸泵启动过程气液两相流动的数值模拟

4．1 概述

4．2 两相流模型及模型控制方程

4．2．1 两相流模型

4．2．2 模型控制方程

4．2．3 PISO算法

4．3 初始条件和边界条件

4．3．1 初始条件及边界条件的设置

4．4 UDF技术

4．4．1 UDF简介

4．4．2 UDF编程

4．5 模拟结果分析

4．5．1 监测点设置

4．6 本章小结

第五章 喷灌自吸泵自吸过程的瞬态数值模拟

5．1 概述

5．2 边界条件

5．3 模拟结果分析

5．3．1 叶轮含气率变化

5．3．2 监测面压力变化

5．3．3 监测面平均速度变化

5．3．4 监测面平均体积含气率变化

5．3．5 蜗壳各断面监测点速度变化

5．3．6 蜗壳各断面监测点含气率变化

5．4 本章小结

第六章 喷灌自吸泵内部流动特性分析

6．1 概述

6．2 内部流动特性分析

6．2．1 内部流态

6．2．2 叶轮做功分析

6．2．3 能量损失过程

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 研究结果总结

7．2 研究展望

参考文献

致谢

作者攻读硕士学位期间取得的相关科研成果