螺旋离心泵内部流场的数值计算

摘要

螺旋离心泵是一种以输送含有颗粒、易缠结固体物等两相流介质为主的杂质泵，叶轮是三元螺旋式，叶片数少，由于叶轮结构特殊，其内部流动与一般离心泵有很大差别。纸浆是一种主要由纤维和水构成的混合物。在流动特性上具有宾汉流体特性，在克服其临界剪切应力后才能像牛顿流体一样流动，而在流动中纤维之间作用力和缠绕方式较为复杂。现在许多造纸厂在输送较长纤维和中高浓度的纸浆时选用螺旋离心泵，但工作效率偏低，在60％左右。近期国家提倡纸浆的中浓度输送，以节约用水。纸浆是非透明流体，不能用可视化方法观测，为了弄清纸浆在螺旋离心泵内的流动规律和验证设计泵的工作性能，利用CFD软件对单叶片螺旋离心泵模型进行数值模拟计算，并结合试验研究数据进行对比（试验介质为清水），为改进泵的设计提供依据。本文所做的研究工作和获得的主要结论有：
　　 简要介绍了国内外对螺旋离心泵的研究现状，阐述了泵的水力设计方法，并在此基础上根据设计参数设计叶轮和泵体。运用Pro/ENGINEER Wildfire3.0对设计的螺旋离心泵进行三维造型，对内部流道实体模型进行网格划分。利用CFD软件FLUENT，选取RNGк-ε模型，分别对以清水和l0％浓度的纸浆悬浮液为介质的固液两相流进行泵内部流动的数值模拟，并对其内部三维流动、压力和速度分布等结果进行对比分析。根据模型设计图制作样机，在试验台上进行泵的能量性能实验，将数据与模拟结果进行对比分析。结果如下：在两种不同介质条件下，泵内部流动规律相近，叶轮表面压力和速度变化比较均匀，数值大小有差异；蜗壳和叶轮内产生了旋涡和旋转流，引起流动紊乱，从小流量到大流量，旋涡有移动，一部分在蜗壳断面上移动，另一部分从蜗壳向叶轮轮毂上移动。两种不同介质时，旋涡产生位置不同。其主要原因是纸浆中的纤维颗粒主要集中在轮缘上，从叶片背面流出时在蜗壳内流动情况跟单相清水时不同。小流量下，输送纸浆时在泵出口位置出现大的旋涡，随流量增加，旋涡消失：输送清水时泵出口位置没有旋涡。相同流量下，在泵出口段，输送纸浆时液流的旋转程度减小。这主要是由于纸浆中的纤维颗粒降低了液流的湍流程度。设计工况下，由模拟结果计算得预测扬程和效率均高于规定值，单相清水时预测扬程比规定值高13.41％，纸浆时高出5.75％；单相清水时预测效率高出3.25％，纸浆时高出5.43％。试验扬程低于清水预测值1.99％，高于纸浆预测值4.89％；经预测计算的效率高于试验值：单相清水时为68.25％，纸浆时为70.43％，试验值为66.03％。样机试验效率高出规定值1个百分点以上。本文为螺旋离心泵的优化设计提供了理论和实验依据，具有实际指导意义。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 螺旋离心泵的研究现状

1.2.1 螺旋离心泵的特点

1.2.2 螺旋离心泵的理论研究

1.2.3 螺旋离心泵的实验研究

1.2.4 螺旋离心泵数值模拟的研究

1.3 本文的主要研究内容和意义

第二章 纤维悬浮流的基本理论

2.1 纤维悬浮液的描述

2.2 基本理论和假设

2.3 流变特性的研究

第三章 螺旋离心泵的设计和计算模型的建立

3.1 螺旋离心泵的设计

3.1.1 杂质泵的设计方法概述

3.1.2 叶轮水力设计

3.1.3 泵体的设计

3.1.4 叶轮平面投影图的绘制

3.2 模型泵的主要几何参数及其三维造型

3.2.1 模型泵的主要几何参数

3.2.2 模型泵三维造型

3.3 小结

第四章 螺旋离心泵内的数值模拟

4.1 计算域网格生成

4.1.1 网格生成概述

4.1.2 内部流动区域（计算域）网格生成

4.2 数值计算的模型和边界条件

4.3 螺旋离心泵内部流场CFD计算及分析

4.3.1 设计工况下计算结果及分析

4.3.2 非设计工况下计算结果及分析

4.3.3 设计工况下螺旋离心泵内部流线

4.3.4 不同工况下纸浆纤维颗粒分布

4.4 扬程和效率预测

4.5 小结

第五章 螺旋离心泵的能量性能试验及分析

5.1 模型泵及叶轮的制作

5.2 试验装置

5.3 实验步骤及结果分析

第六章 总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文