旋流式无堵塞泵优化设计与内流场PIV试验研究

发布时间：2018-11-16 21:37

【摘要】：旋流泵结构特殊,内部流动十分复杂,由于其抗缠绕、无堵塞性能好,因此广泛应用于工业浆料输送、城市排污、农业生产养殖等领域,特别适合于浆料、泥浆的输送。然而,目前旋流泵的效率普遍偏低,能耗较大,在输送纸浆时,低效不仅浪费了水资源,带来了环境污染,同时增加了纸浆输送能耗。旋流泵叶轮为半开式,叶轮安装在后泵腔,前泵腔为一个宽广的无叶腔区,由于无堵塞性要求高,叶轮出口离蜗壳进口有一定的距离。因此,旋流泵运行时,叶轮前盖板端面有直接流入流出的现象,无叶腔内同时包含着多种复杂的流动,导致旋流泵的水力损失较大,叶轮对介质做功并没有全部转化为压能,而是部分能量传递到无叶腔的贯通流和循环流中,这是导致旋流泵的效率和扬程低下的主要原因。本文以型号为SCP200-400的原型泵为例,分析比转数ns=166型旋流泵结构参数,基于正交优化设计法、PCAD优化设计软件、CPF数值预测软件、PIV粒子成像测速技术以及压力脉动试验等手段,通过多种方法剖析旋流泵内部的流动特性,从而研究旋流泵的内部流动机理,研究的主要内容和取得的创造性成果如下:(1)以型号为SCP200-400的原型泵为例,结合其外特性,分析该型号旋流泵的结构特点,并基于CFD数值计算软件,通过网格无关性分析与湍流模型分析,找出该泵的网格数和较好的湍流模型,为接下来的原型泵优化设计提供基础。(2)分析原型泵试验结果和结构参数,找出影响旋流泵性能的主要结构参数,初步确定叶轮外径D2、叶片数Z、叶片宽度6、叶片出口安放角β2、叶片进口安放角β1为主要结构参数。然后利用正交试验法,对每个因素选取四个水平,选用L16(45)正交表,配置出十六种方案,采用PCAD水力设计软件,设计出十六副叶轮水力模型图,通过前述的CFD数值模拟方法,对十六种方案进行额定工况下的数值计算,应用正交分析法得出各因素对效率和扬程的影响规律,并分析单因素分别对效率和扬程的影响主次。为了更准确地找出影响旋流泵性能的主要结构参数,再次选取小范围内的因素和水平数,进行二次正交试验,最终得出性能较优的方案。(3)旋流泵在输送纸浆、泥沙等介质时,固相对主要过流部件产生磨蚀,特别是叶片表面的磨蚀比较严重,导致泵不稳定性增加。然而在实际运行过程中,由于固相的存在,加上污水的透明度不高,很难通过实验拍摄手段研究内部流场的固相流动和分布情况。因此,通过数值计算预测软件,在额定流量工况下,分别对三种不同粒径即0.1 mm、0.5 mm及1.0mm,和三种不同的固相体积分数即1%、5%及10%的固液两相流动进行数值计算,分析其对旋流泵内部流动的影响规律,研究固相对叶轮壁面的磨损情况。(4)为了能更深层次地研究旋流泵的内部流动机理,设计出三种不同叶轮参数的模型,加工成模型泵,进行外特性试验,并与数值计算结果对比分析。基于PIV粒子成像测速技术,从内部流场流动特性出发,探索性研究旋流泵内部流动机理,分析无叶腔中复杂的流动模型。研究发现,叶片安放角较大时,叶片内部更容易产生多种不同的漩涡;当叶片安放角减小后,流道变得较狭窄,叶片对液体的束缚力增强,在流量不变的情况下,狭窄的流道贯流速度较大,叶片从工作面流入到背面的液体流速被抵消减弱,不容易形成漩涡流动。无叶腔中的相对流动速度是随着流量的增大而增大的,反过来,我们发现无叶腔中的绝对流动,即循环流速随着流量的增大而减小。无叶腔内环面的循环流速明显强于外环面的循环流速,且内环面的贯通流为其主要的流动方式。(5)为了从不同角度研究旋流泵内部的流动状态,在模型泵的蜗壳上进行钻孔定位,分别通过试验研究与数值预测两种方式,研究流场非对称性流动造成的蜗壳内流场的压力脉动特性,以及蜗壳内瞬态静压波动情况,分析旋流泵不稳定运行的特性。研究发现,蜗壳内监测点的压力脉动主频并非在一倍叶频区,而是在一倍转频区附近,说明造成蜗壳内压力波动较大的主要原因是泵的转频,而非叶频。
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【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH31

【参考文献】