挖泥船泥泵内部流场数值模拟研究

发布时间：2017-08-03 17:26

  本文关键词：挖泥船泥泵内部流场数值模拟研究

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【摘要】：离心式泥泵是绞吸式挖泥船泥浆输运系统最为关键的部件。关于离心泵内部流场的数值模拟研究，国内外学者主要研究了诸如叶片数目、叶片出口角度、叶片出口宽度等参数对离心泵内部流场的影响。以上研究主要侧重于提高泵的设计水平，但对于离心泵制造和运行过程中存在的问题，关注则不多。挖泥船泥泵铸造后内壁非光滑，且在运行一段时间后蜗壳和叶轮会发生磨损，导致疏浚效率下降。目前已有学者研究了蜗壳内壁粗糙度对离心泵性能的影响，但没有关于宏观上的不平整度对离心泵性能的研究。本文针对以上问题，对JF212-45-90舱内泥泵内部流场进行了数值模拟研究，分析泥泵在磨损前后输送清水与固液两相流时的内部流动特征及外特性。 本文使用PRO/E对泥泵的全流道进行三维造型，然后用Gambit进行网格划分，，最后将网格文件导入到Fluent中进行数值模拟。计算时选用了RNG k-ε湍流模型,SIMPLE算法及一阶迎风格式等相应参数，在0.8Qopt、1.0Qopt及1.2Qopt三种工况下进行了清水流场的数值计算与分析。在清水流场计算的基础上，再在0.2Qopt、0.4Qopt、0.6Qopt、0.8Qopt、Qopt、1.1Qopt、1.2Qopt、1.3Qopt、1.4Qopt九个工况下，进行固液两相流场的数值模拟。最后，在假设蜗壳内壁磨损的情况下，对磨损后的泵进行了以上9种工况的固液两相流模拟。 本文对以上模拟结果进行了分析。对于清水流场，分析了叶轮、蜗壳内部速度及压力的分布，发现叶轮内部速度与压力存在轴向不对称性，流体的绝对速度和总压沿着叶轮径向不断增大，在靠近隔舌的叶轮出口位置与蜗壳之间出现了回流，并在相应的位置引发了一定尺度的漩涡。小流量工况时在叶片头部的工作面侧及叶轮进口拐弯点负压区域容易发生气蚀。蜗壳内部的速度与压力分布则比较均匀，起到良好的扩压作用。当泥泵输送固液两相流时，固相参数对其自身的分布具有重要影响。叶轮中心截面出口边缘的平均绝度速度和总压分布具有周期性波动特点，总压和绝对速度在叶片边缘位置达到极大值。在靠近蜗壳隔舌处，总压和绝对速度有一个最小值。随着固相颗粒体积浓度、粒径的增加，叶轮出口中心截面总压及绝对速度呈下降趋势。而随着密度的增加，叶轮出口中心截面总压呈上升趋势。对于蜗壳内壁发生磨损的泵，用球冠体作为凹坑的物理模型，研究发现设计流量工况下当球冠体的R值为82mm时泥泵的扬程下降了10m。在不同流量工况下，磨损泵的扬程、效率和功率都有所降低。
【关键词】：泥泵 数值模拟 内部流场 不平整度 外特性
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U674.31
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 国内外离心泵数值模拟研究11-15
• 1.3 本文的研究目的及意义15-16
• 1.4 本文的研究内容16-17
• 第2章 计算流体力学（CFD）模拟理论17-29
• 2.1 引言17-18
• 2.2 控制方程18-24
• 2.2.1 质量守恒方程19
• 2.2.2 动量守恒方程19-20
• 2.2.3 能量守恒方程20
• 2.2.4 湍流模型20-24
• 2.3 多相流模型24-26
• 2.3.1 离散相模型24-25
• 2.3.2 多流体模型25-26
• 2.4 边界条件26-27
• 2.5 离散方法与格式27
• 2.6 本章小结27-29
• 第3章 数值模拟方案的选择29-55
• 3.1 泥泵的设计参数29
• 3.2 计算域的组成及实体造型29-32
• 3.2.1 蜗室实体造型30-31
• 3.2.2 叶轮实体造型31-32
• 3.2.3 全流道造型32
• 3.3 网格划分32-35
• 3.4 控制方程和边界条件的选择35-37
• 3.4.1 进口边界条件35-36
• 3.4.2 出口边界条件36
• 3.4.3 壁面边界条件36
• 3.4.4 计算结果收敛性的判定36-37
• 3.5 清水流场的数值模拟37-54
• 3.5.1 计算模拟步骤38-42
• 3.5.2 清水流场计算结果分析42-54
• 3.6 本章小结54-55
• 第4章 泥泵内液固两相流的数值模拟55-72
• 4.1 引言55
• 4.2 模拟方案55-56
• 4.3 模拟结果分析56-66
• 4.3.1 固相颗粒性质对泵内流场的影响56-63
• 4.3.2 固相颗粒性质对其分布的影响63-66
• 4.4 挖泥船泥泵的外特性研究66-71
• 4.4.1 泵外特性参数的计算66-68
• 4.4.2 泥泵输送清水及两相流时的外特性研究68-71
• 4.5 本章小结71-72
• 第5章 蜗壳内壁不平整度对泵性能影响72-80
• 5.1 引言72-73
• 5.2 磨损凹坑的物理模型及泵三维模型的建立73-75
• 5.3 研究方案75-76
• 5.4 计算结果分析76-79
• 5.4.1 外特性对比分析76-77
• 5.4.2 内部流场分析77-79
• 5.5 本章小结79-80
• 第6章 总结与展望80-82
• 致谢82-83
• 参考文献83-85

【参考文献】

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本文编号：615511