迷宫螺旋泵泵送机理及性能的CFD数值模拟和试验研究

发布时间：2020-05-18 09:22

【摘要】：迷宫螺旋泵是一种极小流量、高扬程、结构极其简单的极低比转数旋转泵,是石油、化工、水处理等行业急需的特种泵。但其泵送机理至今仍不十分清楚,对泵送性能的认识也仅停留在初级试验阶段,泵的设计和使用是基于大量的未经理论分析和整理的试验数据,因而存在很多不确定性因素,极大限制了迷宫螺旋泵的推广应用。基于上述原因,本文采用FLUENT流体计算软件中SST k-ω湍流模型对多重坐标中迷宫螺旋体转子、定子螺槽流体流动进行了数值模拟,利用CFD数值模拟结果和二维湍流方程以及普朗特混合长度理论对流体流动、泵送机理和泵送性能进行了定性和定量分析,优化了三角形螺纹形状及几何参数,对泵送性能进行了相似换算。最后,试验验证了迷宫螺旋泵在不同因素作用下的泵送性能变化趋势。 CFD数值模拟迷宫螺旋体流场表明:泵内压力沿轴向线性分布。泵转子、定子名义间隙分界面上,同时存在强烈向心流动和离心流动,二者速度随压力升高而增大;转子螺槽和定子螺槽流体切向速度方向相反,大小随压力升高增大,导致在转子定子间隙形成强剪切区;定子螺槽“泄漏”流与转子螺槽泵送方向流动方向相反,“泄漏”流随压力升高而增强,而转子螺槽驱动流动随压力升高而减弱。在此基础上,结合泵性能试验研究,提出:迷宫螺旋泵的泵送压力是流体在轴向流动中通过蜂窝体反复加压获得的,泵转子、定子间隙流体之间强烈的湍流剪切力是蜂窝体流体进行动量和能量交换的根本动力。推导出了迷宫螺旋泵泵送性能的经验表达式,定义了表征蜂窝体水力性能的蜂窝体扬程系数K_f和表征相同尺寸泵扬程相对高低的泵总扬程系数K_b两个新概念。将迷宫螺旋泵内流体流动看作转子螺纹对流体的拖动流和泵两端压差作用下压力流的线性叠加,结合二维湍流理论和CFD数值模拟,建立了不同于Bilgen流场速度分布的迷宫螺旋泵的流场模型。其中切向压力流是关于y轴的奇函数,轴向拖动流在转子螺槽类似抛物线分布,将速度沿螺槽深度积分得到泵流量扬程关系式。基于迷宫螺旋体内流体流动和其泵送机理,提出泵功率主要由转子驱动流体功率、螺纹壁面摩擦损失、蜂窝体湍流摩擦损失、动能和机械摩擦损失组成,泵效率由容积效率、水力效率和机械摩擦效率组成。对迷宫螺旋泵试验性能分析发现:泵转子、定子间隙增大,泵水力效率明显下降,而容积效率基本不变。利用CFD数值模拟和Golubiev试验数据,以蜂窝体扬程系数K_f最大为优化目标,优化出了三角形螺纹最佳相对槽深h/t、最佳牙型角和螺纹导程范围。基于螺纹几何参数与泵性能的理论方程,拟合出了K_f与螺纹几何参数s_D/h、h/t和tga的定量关系式,定性分析了流体离心力对K_f的影响。结果表明:螺纹导程减小,蜂窝体扬程系数降低,但泵总扬程系数升高;蜂窝体扬程系数随转子、定子之间相对直径间隙增大而降低,降低程度与螺纹形状有关;蜂窝体扬程系数在相对螺槽深度变化很宽的范围内随相对螺槽深度增加而降低;离心力增大,蜂窝体扬程系数先是增大,而后又降低。基于流体流动相似原理和泵送机理,推导出了迷宫螺旋泵在转子定子间隙、螺纹导程、及转子直径和转速变化时的泵送性能的相似经验换算关系式,用换算公式对泵模拟性能和试验性能作相似换算,换算性能和CFD模拟性能及试验结果一致。最后,对迷宫螺旋泵泵送性能进行了泵常规性能试验,试验研究发现:迷宫螺旋泵的流量和扬程远高于相同螺纹参数的螺旋泵的流量和扬程;螺纹导程降低,泵关死扬程升高,流量降低,性能曲线变陡;螺杆螺套配合间隙减小,泵扬程和效率明显提高;转子螺纹牙尖迎向转子转动方向,会导致泵流量、扬程降低。
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH315

【参考文献】