基于正交试验及CFD的液环真空泵优化设计

发布时间：2020-08-05 09:35

【摘要】：液环真空泵是工业生产中常用的一种特殊泵,因其内部的非定常、漩涡、气液两相流、可压缩、回流等复杂流动现象,导致其泵的性能较差,所以一直以来,如何提高液环真空泵的性能,对其进行优化设计分析,保证其长期可靠运行,是一项重要的课题。本论文主要从液环真空泵的叶轮和吸气口两方面展开研究,一方面利用正交试验设计方法对叶轮进行优化设计,另一方面针对吸气口回流现象对吸气口形状进行改进设计。采用数值模拟和试验研究两种研究方法,对这两方面的内容进行研究分析,主要工作和得到的结论如下:1.对液环真空泵进行全流道数值模拟计算,将数值模拟得到的进口真空度与试验测得的结果进行对比,发现两者变化趋势较为吻合,从而可以运用该数值模拟方法对液环真空泵进行可靠的性能预测。2.首先对液环真空泵叶轮的诸多几何参数进行敏感性分析,选取对进口真空度影响较大的轮毂比、偏心距、叶片数和叶片出口安放角4个几何参数作为正交试验的试验因素。然后根据正交试验原理进行试验方案设计,以进口真空度和轴功率作为评判指标,对数值模拟的9组正交试验方案的结果分别进行直观分析、极差分析和方差分析,综合考虑分析结果,确定此次优化方案为轮毂比为0.4,偏心距为16mm,叶片数为14,叶片出口安放角为50°。最后对比优化前后模型的数值计算结果,发现在额定工况下,优化后模型的进口真空度比优化前的高2.38kPa,而优化后的轴功率却减少了0.06kW,内部流动状态也有所改善,说明通过采用正交试验设计方法结合数值模拟可实现液环真空泵叶轮的优化设计研究。3.通过对液环真空泵吸气口回流现象的研究,发现液环真空泵吸气口的回流现象在各个工况下均会发生,但回流强度和回流发生的位置却有所差别。在小流量工况下,回流主要发生在吸气口上端,回流强度较大,随着流量的增大,吸气口上端的回流减弱,而吸气口下端的回流却在逐渐增强,在大流量工况时,回流发生在吸气口下端,回流强度较弱。在各个工况运行的过程中,吸气口中间的气体流动受回流影响较小。根据对吸气口处的压力分布的分析,发现吸气口发生回流的原因是由于吸气段内的压力低于对应的叶轮内吸气区的压力所致。根据吸气口回流现象,对吸气口形状进行有依据的改进。对改进方案的数值计算结果进行分析,结果表明:在保证吸气口面积不变的前提下,根据液环真空泵的运行需要,有针对性地适当调节吸气口的始端角和末端角,可以改善吸气口的回流,在一定程度上能够提高泵的性能。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB752
【图文】：

变量表,网格单元,流通量,空白部分

图 2.1 网格单元上的变量表示错网格，阴影部分表示液体，空白部分表示（2.22）的差分格式为1,1 2, 1 2, , 1 2 , 1 2n i ji j i j i j i ji jFF F F Ft x y , , 1 2,j i j F 为通过指定网格单元边界上的流通元中流进，流出的方向，则流通量的积分形 1 2,1 2,, 1 2, 1 211jii ji jj yi ji ji xF dt uf dyt yF dt vf dxt x

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基于正交试验及 CFD 的液环真空泵优化设计液环真空泵数值计算方案的确定和采用数值模拟的方法进行研究，那么有必要对研究细的说明。从液环真空泵的工作原理出发，对 SZB，划分结构化网格，最后导入 Fluent15.0 进行数值确定了一套比较成熟的液环真空泵数值模拟的方方法的可靠性，为后续的研究工作奠定了基础。空泵的工作原理泵是一种用来抽送气体的特殊泵，它的主要部件有1 所示。

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硕士学位论文15图 3.2 液环真空泵液环内表面示意图3.2 几何模型的建立本文的研究对象为 SZB-8 型液环真空泵，其几何参数如表 3.1 所示。表 3.1 SZB-8 型液环真空泵几何参数零件几何参数单位数值泵体壳体内表面半径 R径向间隙 fmmmm1051叶轮叶轮轴向宽度 B mm 50叶轮半径 r2mm 90轮毂半径 r1mm 45偏心距 e mm 14叶片数 Z - 12叶轮淹没深度 a mm 7.2吸气口始端角 xdeg 37吸气口末端角 xdeg 160排气口始端角 ydeg 240排气口末端角 ydeg 40叶轮转速 n r/min 1450叶片进口安放角 deg 90叶片出口安放角 deg 30叶片包角 deg 20其它参数气体膨胀系数 - 2轮毂比 - 0.5相对淹没深度 - 0.08宽度比 - 1考虑叶片形状、叶片数影响的修正系数 - 0.85SZB-8 型液环真空泵的主要几何参数示意图如图 3.3 所示。

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