渣浆泵固液两相三维湍流及冲蚀磨损特性研究

发布时间：2020-05-30 11:42

【摘要】：离心式渣浆泵是固液两相流体输送的关键性设备,广泛应用于采矿、冶金、水利、电力及环保等行业。浆体中硬质固体颗粒的存在及其对渣浆泵的强烈冲蚀磨损作用,导致渣浆泵使用中存在效率低及过流零件使用寿命短等突出问题。我国是目前世界上主要的渣浆泵消耗国,但是我国渣浆泵的技术水平与先进国家相比却存在较大差距,国产高端渣浆泵产品自给率仅为30%左右,与同类国外先进产品相比,国产渣浆泵的效率普遍低5%-15%,在同等工作条件下,国外渣浆泵过流件的使用寿命比国内产品高出10%-50%。 在渣浆泵的研究手段、设计理论与方法上取得突破是提升我国渣浆泵技术的必要途径,针对我国目前渣浆泵技术与国际先进水平的差距和采用清水泵经验系数法设计渣浆泵的局限性,本文基于固液两相流三维湍流理论,结合计算流体动力学数值分析方法,通过对渣浆泵流场、固相颗粒冲蚀及泵过流零件磨损特性的研究,提出几种典型过流结构渣浆泵设计和基于数值计算的性能预测方法,以期为我国节能、低磨耗高性能渣浆泵研制提供依据,摆脱高端渣浆泵长期依赖进口的局面。 论文主要的研究内容和成果如下： 1、基于固液两相流理论的两流体模型,推导了离心式渣浆泵的基本方程式,分析了基于固液两流体模型和离散相模型的离心式渣浆泵固液流动控制方程。 2、构建了具有复杂几何边界的离心式渣浆泵全流道三维计算网格模型。采用有限体积法对渣浆泵流动控制方程进行离散化,采用SIMPLEC算法进行流场计算,建立了渣浆泵全流道固液两相三维流动的计算流体动力学分析方法。提出了渣浆泵全流道固液两相三维湍流场求解的欠松弛技术、步进求解方法和转速控制求解法。为渣浆泵的数值模拟和其他固液两相流体机械的计算流体动力学分析奠定了基础。 3、应用渣浆泵计算流体动力学分析方法,对离心式渣浆泵全流道内的固液两相流动进行数值模拟。研究了渣浆泵内部固液两相压力场的规律及渣浆泵的扬程、效率和汽蚀特性。提出了基于数值计算的渣浆泵扬程、效率计算公式及性能预测方法。提出了节能渣浆泵过流零件的设计方法及实用数据,创新了渣浆泵叶轮的设计手段。 4、综合运用机械学、计算流体动力学、摩擦学、材料学等学科的相关理论,对渣浆泵过流件的磨损进行分析。采用数值模拟方法对渣浆泵内部的固相颗粒冲的蚀行为进行研究；分析了叶片参数及浆体性质对固体颗粒冲蚀特性的影响规律,对渣浆泵的磨损进行了预测；形成了低磨耗离心式渣浆泵叶轮设计方法及实用数据。 5、研究了渣浆泵过流零件的材料选用以及制造的铸造工艺、热处理工艺和机械加工工艺,研制了实验用渣浆泵。通过离心式渣浆泵的实验,渣浆泵扬程、效率、汽蚀和磨损性能等测试结果与数值模拟结果具有较好的一致性。 6、研制出高效率、低磨耗的250/200-ZJB型离心式渣浆泵,性能指标为：额定流量Q=300m3/h,转速n=960r/min,浆体效率ηm=68%,叶轮使用寿命800小时,达到了同类国际先进渣浆泵产品的水平,并在工程应用中取得良好效果。
【图文】：

二元或三元流动设计方法[v1。在渣浆泵结构方面，典型的双泵壳结构仍然是强磨蚀工况条件下理想的结构形式，其中压水室(护套)为因磨损而需要经常更换的内壳，前、后泵壳为起连接作用的外壳，见图1一1;在弱磨蚀工况，采用单泵壳形式可以使渣浆泵的结构更加简单;对于大型渣浆泵，由于泵壳质量大，宜采用“后开门”的结构形式，方便泵的安装与拆卸。渣浆泵零件的结构设计朝着可靠性高和轻量化方向发展，，己由传统的强度理论设计方法发展到基于有限单元法的数值模拟与分析方法[8]。过去的几十年中，渣浆泵用材料技术的发展对于提高渣浆泵的使用寿命起到了十分重要的作用，不同材料制造的渣浆泵过流零件在同样的条件下使用，其使

(5)进行辅助特征(如圆角)造型。根据上述渣浆泵压水室流道区域的几何分析和几何造型策略，在Solldworks环境下实现对压水室流道区域进行三维几何造型。如图3一2所示为离心式渣浆泵准螺旋形压水室流道的三维几何模型。离心式渣浆泵的叶轮一般为闭式叶轮，主叶片通常为圆柱形叶片。叶轮相邻两主叶片和前、后盖板形成叶轮的一个流道，叶轮流道的数量取决于叶片的数量。所有叶轮流道和叶轮进口空间构成了叶轮流道区域。图3一3所示是叶轮具有5个流道的三维几何模型。图3一2压水室流道三维几何模型图3一3叶轮流道三维几何模型为了便于建模与分析，把泵吸入管段流道区域与叶轮流道区域作为一个整体来处理。叶轮流道区域同样是一个复杂的不规则三维区域。可以认为该区域由两部分组合而成:一部分是吸入管和叶轮进口空间构成的流道区域，另一部分为叶轮流道构成的流道区域。根据上述对叶轮流道区域的几何特征分析，对叶轮流道区域几何造型可采用以下策略[”’]:(l)对整个叶轮流道区域按一个三维零件处理;(2)吸入管和叶轮进口空间构成的流道区域作为一个基本特征处理;(3)叶轮的一个流道构成的区域作为特征处理;(4)叶轮的其它流道构成的区域通过阵列特征的方法生成;(5)进行辅助特征(如圆角和道流锥)造型。根据上述几何特征分析和几何造型策略，在Sohdworks环境下可对叶轮流道
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TH38

【参考文献】

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本文编号：2688080