侧向进口渣浆泵内部三维流场数值模拟研究

摘要

渣浆泵被广泛的应用于各行各业，但是实际应用中渣浆泵的密封有效时间短、密封效果不好的问题一直没能得到有效的解决，这不仅造成了大量的物力财力损失，更严重还会威胁操作人员的人身安全。因此研究轴封性能更好的渣浆泵，推进关键设备的自主研发具有非常重要的意义。 本文从解决轴封问题的角度出发，设计了侧向进口结构的渣浆泵。为展开对侧向进口渣浆泵与传统轴向进口渣浆泵的对比研究，采用计算机辅助设计的方法对两种不同结构渣浆泵进行实体建模和三维流道建模。然后采用数值模拟对两种结构渣浆泵的清水性能进行了对比分析，通过两种渣浆泵与250ZJ-I-A75型渣浆泵性能表及性能曲线的对比，对侧向进口渣浆泵清水性能做出评价。最后模拟固液两相流工况下渣浆泵内固相浓度及速度分布，对渣浆泵内过流部件的磨损规律进行了分析研究。研究成果对渣浆泵的应用及发展有重要的意义。本文主要研究工作及研究结论如下： 1．分析了我国的渣浆泵应用研究现状，对比轴向进口渣浆泵与侧向进口渣浆泵的结构区别，分析了轴向进口渣浆泵轴封易失效的原因，并对两种结构渣浆泵进行了水力及结构改进。 2．利用SolidWorks软件对设计的两种渣浆泵全流道进行三维建模，将三维水体模型导入ICEM软件对其进行网格划分。使用与250ZJ-I-A75型渣浆泵清水性能表相同的工况在FLUENT软件中对侧向进口渣浆泵全流道进行了清水工况下的三维数值模拟计算，对压力、速度等参数分布规律进行了分析。结果表明（1）侧向进口渣浆泵轴封处的流场比轴向进口渣浆泵轴封处流场更稳定，侧向进口结构能从根本上解决轴封泄露的问题。（2）在相同半径处，叶片工作面的压力高于叶片非工作面，随着径向距离的增加，主叶片与导叶中的压力、速度均随之升高。（3）相对于流量，转速对蜗壳内压力的影响更大，随流量增加蜗壳中最高压力值不变，但是高压区域增大。 3．对侧向进口渣浆泵与轴向进口渣浆泵在相同工况下水力特性进行了对比研究。结果表明，两种结构渣浆泵的性能曲线变化趋势基本一致，侧向进口渣浆泵的性能相比轴向进口渣浆泵有一定降低：在效率最高点扬程降低约11.1%；轴功率降低约9.8%；效率降低约5.2%。 4．研究了固液两相流工况下渣浆泵内固相浓度的分布规律，对渣浆泵过流部件的磨损规律进行了探究。结果表明，（1）侧向进口段内在流体绕过轴碰撞的位置固相浓度较高，在该位置易发生磨损。（2）叶片的进、出口位置为易磨损区域。相比于轴向进口渣浆泵，侧向进口渣浆泵内固体颗粒在叶轮中分布更均匀，且叶片非工作面的固相浓度要高于叶片工作面。（3）沿蜗壳到出口管外侧壁面固相浓度较高，该区域为磨损易发生位置。

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致谢

变量注释表

1绪论

1.1研究背景

1.2研究目的及意义

1.3.1 离心泵水力设计方法研究现状

1.3.2 离心泵数值模拟研究进展

1.3.3渣浆泵的国内外研究现状

1.3.4离心泵内部流动数值模拟研究趋势

1.4本文主要研究内容

2侧向进口渣浆泵的设计

2.1侧向进口渣浆泵的整体结构

2.2叶轮的水力设计

2.3蜗壳的水力设计

2.4侧向进口段的水力设计

2.5侧向进口渣浆泵设计的特点及创新点

2.6本章小结

3渣浆泵及计算流体力学基本理论

3.1渣浆泵基本参数及方程

3.1.1渣浆泵的基本参数

3.1.2渣浆泵的基本方程

3.2.1研究流体流动基本方法

3.2.2计算流体力学简介

3.2.3多相流模型

3.3湍流模型

3.3.2 RNGκ-ε模型

3.3.3 RSM模型

3.3.4 BSLκ-ω模型

3.3.5 SST模型

3.4 本章小结

4渣浆泵的全流道三维建模及网格划分

4.1渣浆泵的全流道三维建模

4.1.1渣浆泵进口段的三维建模

4.1.2渣浆泵叶轮的三维建模

4.1.3渣浆泵蜗壳的三维建模

4.1.4渣浆泵全流道的三维模型

4.2渣浆泵模型的三维网格划分

4.2.1流体网格

4.2.2前处理软件ICEM CFD

4.2.3渣浆泵全流道计算模型的网格划分

4.3本章小结

5渣浆泵内流场数值模拟

5.1渣浆泵内流场数值模拟的预设置

5.1.1全局边界条件

5.1.2收敛标准

5.1.3网格无关性验证

5.2渣浆泵的全流道模拟结果分析

5.2.1渣浆泵全流道模拟分析

5.3侧向进口与轴向进口渣浆泵的水力特性对比

5.3.1对比两种不同进口结构下渣浆泵的内流场流动变化

5.3.2对比两种不同进口结构下渣浆泵的性能曲线

5.4本章小结

6渣浆泵多相流模拟及磨损研究

6.1初始固相浓度对侧向进口渣浆泵过流部件的磨损影响

6.2对比不同进口结构下渣浆泵的磨损状况

6.3本章小结

7结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

作者简历

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