无堵塞潜水磨碎泵优化设计及空化流动特性研究

摘要

随着工农业快速发展，所产生的污水中含纤维等杂质越来越多，但普通排污型水泵在运行时易堵塞，已无法满足输送含有高纤维杂质的介质要求，因此带有辅助切割磨碎装置的污水泵越来越广泛地得到运用。无堵塞潜水磨碎泵广泛适用于医院、酒店、家庭生活污水以及雨水排放等。本文主要围绕无堵塞潜水磨碎泵的优化设计及空化流动特性进行系统的研究。主要研究内容及成果如下:
　　 1.结合潜水磨碎泵特点，对潜水磨碎泵进行水力设计，并进行三维建模、六面体结构化网格划分及网格无关性检验。通过三维流场的数值模拟，分析潜水磨碎泵流场内部压力、速度等的分布规律。
　　 2.为研究无叶腔宽度L、动静刀盘径向间隙、刀头数目等因素对潜水磨碎泵性能的影响规律，分别研究无叶腔宽度L为18mm、22mm、26mm、30mm、动静刀盘间隙为1mm、1.5mm,2mm及2、3、4个刀头数的潜水磨碎泵性能，发现:(1)随着无叶腔宽度L减小，各个工况点的功率均下降，小流量工况扬程升高，大流量工况扬程降低，泵的最高效率值升高，并向小流量工况移动。(2)随着动静刀盘径向间隙减小，潜水磨碎泵的扬程下降，且流量-扬程曲线陡降趋势更加明显，泵无过载性能变好。(3)随着动刀盘刀头数量的增加，泵的扬程有一定程度的下降，且小流量工况下降幅度较大，各个工况点泵的效率整体降低，而功率整体升高。
　　 3.对潜水磨碎泵进行空化数值模拟，分析潜水磨碎泵内部空化流动特性。对2、3、4个刀头数的潜水磨碎泵进行研究，发现随着刀头数的增加，刀头附近的空化加剧，造成磨碎泵进口流动恶化。
　　 4.分别对淹没深度0.5m、1m,1.5m,2m四种情况的潜水磨碎泵进行研究，发现:随着潜水磨碎泵的淹没深度增加，在小流量工况下，刀头附近的空化情况变化不大;而大流量工况下，刀头附近的空化程度在减弱，而潜水磨碎泵的扬程会有一定程度的升高。
　　 5.将刀头设计为流线型，与非流线型刀头进行对比分析，发现:采用流线型刀头潜水磨碎泵的功率较低，最高效率值高于非流线型刀头潜水磨碎泵;刀头形状改为流线型可以有效控制刀头附近的空化强度，改善泵磨碎装置处的流动状态。
　　 6.分别堵塞潜水磨碎泵静刀盘流道的1/4、1/3、1/2进行分析，发现:随着流道堵塞加剧，潜水磨碎泵的扬程及最高效率值均出现下降，最高效率点向小流量区域移动，其功率有一定程度的下降，刀头附近空化加剧。
　　 7.对2刀头潜水磨碎泵不同工况内部流场压力脉动进行时域和频域分析。分析发现:随着流量的增大，动刀盘上监测点的压力脉动波动幅度减小，静刀盘上各个监测点的压力脉动波动幅度随流量增加而增大;随着流量的增加，各个监测点主频幅值降低;静刀盘流道内压力脉动脉动能量最大，且越远离静刀盘流道脉动能量降低。
　　 8.对GSP-22型无堵塞潜水磨碎泵进行性能试验，结果表明:加装磨碎装置会造成泵的扬程和效率降低，并使轴功率增加;数值模拟预测结果与试验结果吻合情况良好。对潜水磨碎泵进行磨碎效果试验，能够将棉手套、卫生巾以及鸡骨头等试验对象顺利磨碎，无缠绕或堵塞现象;对不同动静刀盘径向间隙的潜水磨碎泵分别进行磨碎效果试验研究，发现潜水磨碎泵的动静刀盘径向间隙越小，磨碎效果越好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的目的及意义

1．2 国内外研究现状及发展动态

1．2．1 无堵塞潜水泵研究现状

1．2．2 切割泵及磨碎泵的研究现状

1．3 空化计算流体动力学研究现状

1．4 本文主要研究内容

第二章 潜水磨碎泵水力设计及三维建模

2．1 无堵塞潜水磨碎泵结构及工作原理

2．2 叶轮的设计方法

2．2．1 离心泵设计方法

2．2．2 旋流泵设计方法

2．3 叶轮的设计

2．3．1 叶片数z

2．3．2 叶片出口安放角β2

2．3．3 叶轮外径D2

2．3．4 叶片出口宽度b2

2．4 压水室设计

2．4．1 压水室喉部面积

2．4．2 压水室径向尺寸

2．4．2 无叶腔宽度L

2．5 过流部件的三维造型

2．6 网格划分与网格无关性验证

2．6．1 网格的分类及特点

2．6．2 本文研究模型的网格划分

2．7 本章小结

第三章 基于CFD技术的潜水磨碎泵优化设计

3．1 无堵塞潜水磨碎泵内部流场分析

3．1．1 计算方法及边界条件

3．1．2 内部流场分析

3．2 无堵塞潜水磨碎泵外特性的预测

3．3 无叶腔宽度L对无堵塞潜水磨碎泵性能的影响

3．3．1 优化方案的确定

3．3．2 无叶腔宽度L对潜水磨碎泵性能的影响

3．4 动静刀盘径向间隙对潜水磨碎泵性能的影响

3．4．1 优化方案的确定

3．4．2 动静刀盘问隙对潜水磨碎泵扬程的影响

3．4．3 动静刀盘间隙对潜水磨碎泵功率的影响

3．4．4 动静刀盘间隙对潜水磨碎泵效率的影响

3．5 刀头数目对磨碎泵外特性的影响

3．5．1 刀头数的确定

3．5．2 刀头数对潜水磨碎泵性能的影响

3．6 本章小结

第四章 磨碎泵空化的数值模拟及压力脉动研究

4．1 空化概述及潜水磨碎泵空化的发现

4．1．1 空化危害及分类

4．1．2 潜水磨碎泵刀头空化问题的发现

4．2 不同刀头数潜水磨碎泵空化的研究

4．2．1 空化数值模拟理论

4．2．2 不同刀头数目的空化对比

4．3 淹没深度对空化的影响

4．3．1 淹没深度对刀头空化的影响

4．3．2 淹没深度对潜水磨碎泵扬程的影响

4．4 刀头形状优化

4．4．1 流线型刀头性能对比

4．4．2 不同刀头数流线型刀头空化

4．5 静刀盘流道堵塞工况的空化研究

4．5．1 流道各堵塞情况下磨碎泵性能对比

4．5．2 流道堵塞空化特性的研究

4．6 磨碎泵压力脉动特性分析

4．6．1 监测点选取

4．6．2 压力脉动时域分析

4．6．3 压力脉动频域分析

4．7 本章小结

第五章 潜水磨碎泵性能及磨碎效果试验

5．1 试验方法

5．2 磨碎泵的性能试验

5．2．1 磨碎装置对外特性的影响

5．2．2 试验结果与数值模拟预测结果对比

5．3 潜水磨碎泵的磨碎效果试验

5．3．1 试验方法

5．3．2 刀盘径向间隙对磨碎效果的影响

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文及工作内容