离心泵内盐析液固两相流动的研究及优化设计

发布时间：2017-06-01 02:03

  本文关键词：离心泵内盐析液固两相流动的研究及优化设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在石油化工、制浆造纸、卤水输运等现代工业中,伴有盐析的液固两相流动现象十分普遍,析出的固体颗粒会阻碍流体机械的过流通道,严重时会导致堵塞和磨损现象的发生。盐析现象造成工业生产中大量能源和资源的浪费,对其进行深入研究有助于节约能源、减少损失。为更深入地探究盐析机理,本文在自主设计的模型离心泵基础上,结合群体平衡模型和计算流体动力学方法,对典型工况下泵内盐析液固两相流场进行了数值模拟和深入分析,以下为所做的研究工作及取得的主要成果:1、简要介绍了盐析液固两相流及群体平衡模型的国内外研究现状,系统归纳了盐析过程的基本机理,对晶体成核、生长、聚并、二次成核还有破碎等微观行为进行了深入的阐释,发现晶体颗粒的产生主要是由于二次成核和非均相成核的作用,这两种模式在盐析现象中起到至关重要的作用;总结了盐析晶体的输运方程,盐析系统中具有的多种扩散形式都受到输运过程的影响,此外输运作用将限制继续析出盐析晶体颗粒的速率;介绍了群体平衡模型的基本理论,引入的目的是为了更好地描述颗粒群体的行为并且解释其在系统环境下的动态演化进程。2、运用三维造型软件Pro/E对模型泵全流场进行三维建模,并采用非结构化四面体网格划分叶轮和蜗壳流道区域,进水段和出水段采用六面体结构化网格划分,为确保获得可靠的模拟结果对局部位置进行了网格加密;3、为了将盐析现象中各种微观行为考虑在内,本文借助用户自定义函数导入晶体成核和生长模型,以CFD-PBM双向耦合方法对离心泵内的盐析液固两相流场进行了定常和非定常数值模拟,研究了不同流量,不同体积分数等流动条件下的离心泵内盐析晶体颗粒尺寸分布情况与变化规律,得出“在叶片进口处颗粒浓度分布较为均匀,而在叶片出口处从背面到工作面呈现明显的逆浓度梯度;出口处晶体颗粒相的相对速度略大于液相”等结论;4、以水力效率峰值、最高效率工况下的扬程作为优化设计的目标函数,通过Plackett-Burman试验设计、正交试验法、RSM方法对模型离心泵中的8个设计变量进行了多目标优化分析,获得了目标函数与设计变量的关联式。对关联式进行最值分析得到寻优后的模型泵参数,并将之应用于建模仿真,发现模拟的目标性能近似于响应面方程拟合的预测值,所得目标函数值较优化前的模型有明显改善。
【关键词】：离心泵 盐析两相流 群体平衡模型 数值计算 优化设计
【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】：TH311;O359
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 课题研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-20
• 1.2.1 盐析液固两相流的研究现状12-15
• 1.2.2 群体平衡模型的研究现状15-18
• 1.2.3 叶轮机械多目标优化设计的研究现状18-20
• 1.3 本文主要工作及内容20-21
• 第二章 盐析过程基本理论21-31
• 2.1 盐析晶体的成核及生长21-25
• 2.1.1 盐析晶体的成核21-23
• 2.1.2 盐析晶体的生长23-25
• 2.2 盐析晶体的聚并、破碎与老化25-26
• 2.2.1 盐析晶体的聚并和破碎25
• 2.2.2 盐析晶体的老化25-26
• 2.3 盐析晶体的输运方程26-28
• 2.3.1 质量输运26-27
• 2.3.2 动量输运27
• 2.3.3 热量输运27-28
• 2.4 群体平衡模型理论28-31
• 2.4.1 群体平衡方程28-29
• 2.4.2 生长和溶解29
• 2.4.3 聚并和破碎29-30
• 2.4.4 群体平衡方程的求解30-31
• 第三章 离心泵内盐析液固两相流场定常计算31-50
• 3.1 模型泵基本参数及三维造型31-33
• 3.1.1 模型离心泵基本参数31-32
• 3.1.2 模型泵三维造型32-33
• 3.1.3 网格划分33
• 3.2 数值计算33-37
• 3.2.1 计算模型33-34
• 3.2.2 边界条件34-37
• 3.3 数值计算结果与分析37-50
• 3.3.1 不同固相体积分数对叶轮流道颗粒粒径分布的影响37-39
• 3.3.2 不同固相体积分数对叶轮流道颗粒浓度分布的影响39-40
• 3.3.3 不同流量对叶轮流道颗粒粒径分布的影响40-43
• 3.3.4 不同流量对叶轮流道颗粒浓度分布的影响43-44
• 3.3.5 叶轮区域颗粒浓度的分布44-45
• 3.3.6 叶轮流道内液固两相相对速度分布45-46
• 3.3.7 不同出口角模型46-47
• 3.3.8 不同叶片数模型47-48
• 3.3.9 不同包角模型48-50
• 第四章 离心泵内盐析液固两相流场非定常计算50-57
• 4.1 压力分布51-52
• 4.2 速度分布52-54
• 4.3 粒径分布54-55
• 4.4 流动迹线55-56
• 4.5 内外特性随时间的变化56-57
• 第五章 叶轮多目标优化设计57-66
• 5.1 设计方法57-58
• 5.1.1 Plackett-Burman试验设计57
• 5.1.2 正交试验设计57-58
• 5.1.3 响应曲面法58
• 5.2 目标函数定义58
• 5.3 筛选试验设计——Plackett-Burman设计58-62
• 5.4 正交试验法确定次显著因素的最佳设计点62-63
• 5.5 响应面优化设计63-65
• 5.6 结论65-66
• 第六章 总结与展望66-69
• 6.1 总结66-67
• 6.2 展望67-69
• 参考文献69-74
• 致谢74-75
• 攻读硕士期间发表的学术论文75

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