轴流式强制循环泵内部流动研究
发布时间：2017-05-11 06:03
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【摘要】：轴流式强制循环泵是一种特殊型式的轴流泵,多应用于化工、石油行业中,特别是在烧碱、磷酸、酒精等产品工艺流程中常与蒸发器、结晶器和反应器配套使用。该泵的主要作用是在料液进行浓缩结晶时提供循环动力,促进料液的循环,提高料液蒸发过程的传热系数。循环泵通常采用无导叶结构,因此将造成循环泵叶轮出口旋转动能的大量损失。由于损失的旋转动能在循环泵总能量中占有相当比重,循环泵效率相较于普通轴流泵有较大的降低,所以要提高循环泵效率,需从其它方面进行研究。本文选取循环泵叶轮导水段与叶顶间隙为研究对象,对其进行优化设计,并详细分析其内部流动结构,以期提高循环泵整泵的效率。本文首先对叶轮导水段的导水锥进行优化设计,并分析导水锥型面以及长度变化对叶轮流场的影响,同时分析了环量分布规律及叶顶间隙对模型泵性能的影响。本文详细讨论了不同参数的匹配对模型泵效率及内部流场结构的影响,可为设计高效、稳定的轴流泵叶轮水力模型提供有益参考,主要工作及研究成果如下:1.通过数值计算方法对导水锥进行优化设计,分析其内部流动认为:维多辛斯基(witozinskv)导水锥流场出口的轴向速度不均匀度和速度平均偏流角均较优,整流性能较出色。2.通过对导水锥及叶轮进行流场分析发现,叶轮的预旋作用会较大地影响导水锥出口轴向速度的不均匀度,但对偏流角、切向速度和水力损失影响较小。离叶轮越近的导水锥流场受叶轮旋转影响愈大。3.适当增加导水锥长度可提高叶轮水力效率,但长度过大会增加流场水力损失。推荐导水锥长度应为叶轮直径的(0.5~0.7)倍。圆整锥体头部尖锐段,可减少尖锐头部诱发的不稳定流动,在保留整体型面的基础上,建议圆整长度应为导水锥长度的(1/7~1/8)倍。4.阐述了变环量设计轴流泵叶轮方法的本质,并选用三种环量分布规律进行叶轮设计,同时深入分析了不同环量叶轮的内部流场结构。5.选用4种不同大小的叶顶间隙,分别匹配设计环量不同的叶轮,基于SST k-ω湍流模型对其流场进行三维非定常计算。分析了叶顶间隙及环量的变化对叶轮扬程、效率、出口环量、叶片载荷、叶端泄漏涡等的影响。6.通过数值计算方法获得不同叶顶间隙下叶轮内部及叶顶间隙内部压力脉动的频谱特性。分析发现:间隙的增加,会加剧间隙前缘部分压力脉动的扰动,并减小间隙后缘的高频压力脉动,而间隙中部压力脉动受间隙影响较小。7.基于试验泵外特性试验结果,推算出因取消后置导叶导致的叶轮出口旋转动能的损失约占试验泵总能量的7%,并据此估算出无导叶泵的水力性能。
【关键词】：强制循环泵 叶轮 导水锥 非定常流动 数值计算
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH312
【目录】：
- 摘要5-7
- ABSTRACT7-11
- 第一章 绪论11-15
- 1.1 引言11-12
- 1.2 国内外研究现状及分析12-13
- 1.2.1 叶轮导水段的研究现状12
- 1.2.2 叶轮内部流动的研究现状12-13
- 1.3 论文的主要研究内容13-15
- 第二章 循环泵叶轮导水段内流研究15-32
- 2.1 导水锥设计方法15-17
- 2.2 导水锥绕流的数值模拟17-20
- 2.2.1 数值模拟理论17-18
- 2.2.2 导水锥模型建立18-19
- 2.2.3 水力性能计算依据19-20
- 2.3 计算结果分析20-30
- 2.3.1 研究流域定义及划分20-21
- 2.3.2 导水锥对流动均匀性影响的分析21-24
- 2.3.3 导水锥对流动损失影响的分析24-25
- 2.3.4 导水锥与叶轮匹配特性分析25-29
- 2.3.5 导水锥头部圆整分析29-30
- 2.4 本章小结30-32
- 第三章 循环泵叶轮内部非定常流动的数值计算分析32-65
- 3.1 叶轮设计32-39
- 3.1.1 叶轮内部流动分析32-34
- 3.1.2 旋涡运动34
- 3.1.3 速度环量分布规律34-38
- 3.1.4 叶轮水力设计参数和几何参数38-39
- 3.2 叶轮造型、网格划分以及数值计算39-42
- 3.2.1 叶轮三维造型与网格划分39-40
- 3.2.2 叶轮内部监测点布置40
- 3.2.3 湍流模型与边界条件40-42
- 3.3 计算结果分析42-59
- 3.3.1 叶轮模型水力性能分析42-44
- 3.3.2 叶轮出口环量分布44-48
- 3.3.3 叶轮叶片压力载荷分布48-50
- 3.3.4 叶片BVF分布50-54
- 3.3.5 近间隙区流场压力及涡量分布54-59
- 3.4 非定常压力脉动分析59-65
- 3.4.1 叶轮进出口压力脉动特性59-61
- 3.4.2 叶顶间隙的改变对间隙内部压力脉动的影响61-63
- 3.4.3 不同叶顶间隙下压力脉动幅值对比分析63-64
- 3.4.4 压力脉动小结64-65
- 第四章 循环泵外特性预测与试验对比65-70
- 4.1 试验泵及系统65-67
- 4.2 性能试验67-68
- 4.3 循环泵水力性能估算68-70
- 第五章 总结与展望70-73
- 5.1 研究工作总结70-72
- 5.2 研究工作展望72-73
- 参考文献73-77
- 攻读硕士学位期间取得的相关研究成果77-78
- 致谢78
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