高速应急排水泵内流特性数值模拟和试验研究

发布时间：2020-05-10 16:17

【摘要】：本文研究的高速应急排水泵主要用于应对城市内涝等积水问题,由于其使用轻便、输水能力强的特点,在快速响应解决城市积水方面得到了广泛的应用。该泵以轴流泵作为原型,为了实现使用轻便并保留输水能力的技术目标,结构设计得更为紧凑,并改用永磁变频电机的方法提高泵的运行转速以保证输水能力。目前对此类型应急排水泵的研究还很少,本文基于理论分析,对该泵的内部流动特性和非定常流动特性进行分析,并进行试验验证,确定相似定律在变工况运行下的适用性;并对其空化流场和固液两相流动规律进行预测。本文的主要研究内容如下:(1)采用三维造型软件对应急排水泵进行三维建模,并对各计算域进行网格划分,基于CFX 15.0对全流场在设计转速多流量工况进行定常计算。外特性试验结果与数值模拟结果比较吻合,说明了数值模拟具有较高的准确性和可靠性。并对应急排水泵在不同转速下各流量工况进行计算,分析了转速对性能的影响。结果表明扬程仅在一定范围内满足相似换算定律,这是由于不同转速下泵内泄漏损失不能够完全满足相似定律。(2)以定常计算结果作为基础,对不同流量工况下应急排水泵的内部流场进行非定常计算,对各监测点处压力脉动进行时域和频域分析。叶轮进口和导叶出口处的压力脉动主频为叶轮叶频,叶轮出口轮缘侧的压力脉动主频则是导叶叶频。(3)针对应急排水泵的固液两相流场,分别应用DPM模型对不同物理性质颗粒工况和Mixture模型对不同浓度的颗粒工况进行模拟分析,并与清水工况进行对比,得到颗粒性质对泵外特性的影响。分析不同方案下过流部件表面的固相颗粒分布,剪切应力和固相颗粒滑移速度分布规律,预测了泵过流部件磨损区域分布。结果表明:固相颗粒密度对泵性能的影响较颗粒粒径更为显著。固相颗粒在叶轮内主要分布在叶片工作面轮毂侧和出口附近区域。(4)基于ZGB空化模型和混合两相流模型,对应急排水泵内部空化流场进行数值计算,得到不同流量工况(0.8Q_(opt)、1.0Q_(opt)、1.2Q_(opt))下的空化特性曲线。对不同流量工况不同空化数下叶轮内的空化流动进行了研究,分析了叶轮流道内的空泡分布规律,得到了设计流量工况下叶片轮缘侧的叶片载荷变化规律。对空化发展过程更为明显的小流量工况,分析了叶顶间隙区域的空化流场特性。
【图文】：

云状空化

图 1-3 云状空化图 1-4 超空化图 1-5 旋涡空化图 1-6 钝体旋涡空化轴流泵是一种复杂的水力机械，能够观察到多种空化形式，如图 1-7 所示。随着轴流泵进口压力的降低，泵内压力最低处往往出现在进口边和轮缘交汇处的轮缘旋涡处。因此，轴流泵空化初生几乎都发生在轮缘旋涡中。随着泵进口的压力降低到一定程度，空泡会首先出现在叶片背面。这些空泡会跟随空化核在来流的作用下在叶片背面低压区内不断成长，当这些空泡运动高压区域时，由于受到周围液体的压缩，，会发生溃灭。当进口压力进一步下降，空泡在叶片背面得到进

超空化

图 1-3 云状空化图 1-4 超空化图 1-5 旋涡空化图 1-6 钝体旋涡空化轴流泵是一种复杂的水力机械，能够观察到多种空化形式，如图 1-7 所示。随着轴流泵进口压力的降低，泵内压力最低处往往出现在进口边和轮缘交汇处的轮缘旋涡处。因此，轴流泵空化初生几乎都发生在轮缘旋涡中。随着泵进口的压力降低到一定程度，空泡会首先出现在叶片背面。这些空泡会跟随空化核在来流的作用下在叶片背面低压区内不断成长，当这些空泡运动高压区域时，由于受到周围液体的压缩，会发生溃灭。当进口压力进一步下降，空泡在叶片背面得到进
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH38

【参考文献】