液力驱动旋转射流搅拌器内部流动数值仿真及水力特性研究

摘要

在用于战略石油储备的大型原油储罐中,为防止原油中重组分物质的沉积带来的有效成份的浪费以及油罐的清洗等问题,通常都装有搅拌设备.旋转射流混合搅拌系统是目前用于克服此类问题最安全、最有效的途径.国外关于此系统的开发比较早,而且已经取得了很好的成效,而国内如今处于研发起步阶段.为推动该搅拌系统在国内的广泛应用,自行研发具有不可低估的意义.本文课题所涉及的项目便是对大型工业原油储罐旋转喷射混合系统研制,以旋转射流搅拌器(英文全称为Rotary Jet Mixing Sytem,缩写为RIM系统)为研究对象,利用CFD技术对旋转射流搅拌器的过流部分进行了全流道的数值模拟,以期通过其内流场的分析,综合各种影响因素,对过流各部件的外特性进行分析研究,辅助结构设计及优化,以期满足实际工程应用的要求. 在已有结构设计的基础上,通过对结构的分析简化,建立了用于CFD计算的几何模型,并对其进行了网格划分;依据实际的工作情况,定义了合理的边界条件类型;给出了用于对旋转射流搅拌器性能预估的方法,包括轴流涡轮的性能预测,喷嘴的出口性能预测以及整机的效率及喷射反冲力矩等.用CFD数值模拟软件对多种参数组合(进口流量和涡轮转速)和多种结构变化的旋转射流搅拌模型进行了数值模拟,截取了一系列特殊位置的平面,分析了速度、压力等的变化情况;将数值计算报告出来的数据进行处理,计算并分析了过流各部件及整机等的性能情况,给出了涡轮部分多种工况及结构下的功率与转速、输出扭矩与转速、效率与转速等的曲线图,同时也给出了喷嘴出口动力分析,最后给出了整体结构在不同工况下的能量损失及效率曲线. 通过与单体轴流涡轮的实验数据和数值模拟数据进行比较,得出轴流涡轮相同位置截面上流场的变化规律是相似的,说明采用的计算方法和策略是正确的.本次数值模拟对流场的分析和特性的预测准确度比较高,可以作为对RIM旋转射流搅拌器整体进行实验时的参考比较依据.

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1本论文的研究背景及意义

1.1.1研制旋转射流搅拌器的工业应用背景

1.1.2旋转射流搅拌器内部流动数值模拟的目的及意义

1.2旋转射流搅拌器结构及基本工作原理

1.2.1旋转射流搅拌器结构

1.2.2旋转射流搅拌器工作原理

1.3与本文相关的国内外研究现状

1.3.1射流搅拌器的研究及应用现状

1.3.2射流技术研究概述

1.3.3数值模拟手段研究的发展和现状

1.4 CFD计算工具简介

1.5本论文研究目标及研究内容

第2章CFD流动分析的基本理论、方法与湍流模式理论

2.1流动的控制方程及其分类

2.2控制方程离散方法

2.2.1有限差分法(FDM)

2.2.2有限元法(FEM)

2.2.3有限体积法(FVM)

2.2.4其他离散方法

2.3湍流模式理论

2.3.1雷诺应力模型

2.3.2粘涡模型

2.4流动计算方法—SIMPLE算法

2.5小结

第3章RJM数值模拟模型分析

3.1 RJM模型建立

3.1.1叶片模型的建立

3.1.2轮毂、泄水锥等的建立

3.1.3喷嘴部分模型的建立

3.1.4计算流域的确定

3.2流动域的网格划分

3.2.1网格类型简介

3.2.2分块网格划分方法

3.2.3 RJM网格划分实现

3.3流场计算

3.3.1边界条件的设定

3.3.2计算收敛判据

3.3.3计算流程简述

3.4搅拌器水力特性预测手段

3.4.1涡轮性能预测

3.4.2喷嘴出口动力参数

3.4.3 RJM整体性能分析

3.5小结

第4章RJM数值结果流场分析

4.1模拟工况组合与模型变化分析

4.2涡轮段多工况内流特性分析

4.2.1涡轮叶片表面压力分布

4.2.2涡轮叶片表面速度

4.2.3垂直z轴截面上的速度矢量图和压力分布分析

4.2.4过z轴截面的速度分布

4.2.5过z轴截面的压力分布

4.3喷嘴段多工况内流特性

4.3.1过喷嘴中心轴线且平行于z轴的速度分布图

4.3.2过喷嘴中心轴线且平行于z轴的压力分布图

4.3.3喷嘴入口处速度分布

4.3.4喷嘴入口处压力分布

4.3.5垂直z轴的喷嘴中心断面的速度分布和压力分布

4.4小结

第5章RJM水力特性预测分析

5.1涡轮的水力特性分析

5.1.1不同转速n对输出扭矩的影响

5.1.2输出功率与转速之间的关系

5.1.3效率曲线

5.2喷嘴的动力特性

5.3 RJM整机效率及喷射反冲力矩

5.3.1RJM整机效率

5.3.2 RJM喷射反冲力矩

5.4小结

第6章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢