离心式低浓纸浆泵压力脉动的研究及数值模拟

摘要

离心泵结构简单、运行可靠、效率也比较高，被广泛应用于冶金、造纸、排灌等各行业。在造纸业中，随着人们对纸张质量和产量日渐高标准的需求，工艺流程中越来越多的采用低脉冲泵，低脉冲泵可以很好的降低泵出口的压力脉动。 基于这样的发展背景，本文重点对离心泵的压力脉动进行了理论分析，并且提出了改进方案和优化措施。同时采用数值模拟的方法对离心泵内部三维流动进行了计算，数值计算结果预测了优化措施的可行性，并为低脉冲纸浆泵的进一步发展提供了参考。本文主要工作和研究结果如下： 1．通过分析离心式纸浆泵叶轮内外的流动状况，研究压力脉动的产生机理，得出其主要影响因素为汽蚀、回流、涡流、叶轮叶片以及蜗壳隔舌的相互干扰等。 2．分析降低离心泵压力脉动的主要途径，并从过流部件水力设计的角度，提出了优化叶片排序方式、改变叶轮叶片形状、增大基圆尺寸、改变隔舌构型等优化方案，理论分析这些优化方案的可行性及其对降低压力脉动的意义。 3．对离心泵内部流场建立三维流动模型。由于计算区域模型的复杂性，选择在PRO/E中建模，并导入GAMBIT进行网格划分。考虑叶轮和蜗壳内部不同的流动，最终采取对模型分区进行网格划分和边界设置，获得比较满意的网格质量和较快的收敛速度。 4．采用CFD软件FLUENT进行计算模拟。采用RNG K-ε湍流模型，有限容积法求解N-S方程，在定常求解稳定的基础上，再转为非定常进行研究，捕捉不同时间和叶轮位置时的各个流动参数。 5．利用FLUENT的后处理功能，导出不同时间和叶轮位置时的出口压力值，采用ORIGIN软件绘制出口压力随时间波动的二维曲线图。 6．分析不同优化方案的计算结果，得出叶片交错排列、增大涡室基圆、设置阶梯隔舌、增加叶片数等方法对降低离心式纸浆泵的出口压力脉动均有比较好的作用。 7．配置交错叶轮的离心泵，其数值模拟结果与试验数据对比分析，结果比较吻合，一定程度上体现了数值模拟预测的准确性。

目录

文摘

英文文摘

学位论文版权使用授权书及独创性声明

第一章绪论

1.1离心式纸浆泵的结构特点和发展趋势

1.2低脉冲泵的发展现状及趋势

1.3 CFD技术在离心泵设计和内部流场计算中的应用

1.4本课题研究的主要内容和意义

第二章离心式纸浆泵的压力脉动特性分析

2.1离心式纸浆泵压力脉动的产生机理

2.2离心式纸浆泵压力脉动的影响因素

2.2.1汽蚀对离心式纸浆泵压力脉动的影响

2.2.2回流对离心式纸浆泵压力脉动的影响

2.2.3涡流对离心式纸浆泵压力脉动的影响

2.2.4叶轮叶片和隔舌参数对离心式纸浆泵压力脉动的影响

2.3改善离心式纸浆泵压力脉动的措施

2.3.1提高抗汽蚀性能

2.3.2控制进口回流

2.3.3减弱出口涡流

2.3.4改变叶轮叶片和隔舌参数

第三章CFD技术在改善离心式纸浆泵压力脉动中的应用

3.1 PRO/E三维实体建模

3.2 GAMBIT网格生成

3.2.1网格类型

3.2.2网格划分

3.2.3指定边界和区域类型

3.3 FLUENT数值计算

3.3.1导入并检查网格

3.3.2确定求解器

3.3.3选择计算模型

3.3.4定义材料

3.3.5设置边界条件

3.3.6数值算法及离散格式

3.3.7计算及后处理

第四章降低纸浆泵压力脉冲的改进设计

4.1优化叶轮叶片排列顺序和形状

4.2加大涡室基圆

4.3改变隔舌形状、位置、半径

4.3.1改变形状，设置成阶梯型隔舌

4.3.2切削隔舌，加大喉部面积

4.4增加叶片数，增大斜比

第五章数值模拟计算结果的分析对比

5.1改变叶片排列顺序

5.1.1对出口压力的影响

5.1.2对效率的影响

5.2增大基圆半径

5.2.1对出口压力的影响

5.2.2对效率的影响

5.3改变隔舌形状

5.3.1对出口压力的影响

5.3.2对效率的影响

5.4增加叶片数，增大斜比

5.4.1对出口压力的影响

5.4.2对效率的影响

5.5模拟结果与试验曲线

5.5.1模拟结果总结

5.5.2模型试验曲线

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文