石油化工离心泵内流场流动性质数值分析及性能预估

第1章绪论

1.1课题研究背景及意义
由于输送介质的特殊性，如：含固体颗粒介质、易凝固介质、强溶剂性介质、剧毒介质、高粘度介质，以及使用条件的恶劣性，如：输送高温介质（最高可达34(rc左右）；输送低温介质（最低可达零下132°C);系统压力高，最高可达几十兆帕；低NPSH，最低仅为0.5m左右；流量大，最高可达每小时几千立方米；小流量高扬程等。同时对它的技术要求高，石油化工泵在生产装置的重要性，决定了石油化工菜的技术要求较严格[1]。图1.1为常见的一种石油化工离心菜。这些运行环境和条件都要求石油化工泵的设计满足流量和扬程及效率的情况下还要防泄漏等。这就对泵的设计带来了新的挑战。在这些众多被关注的问题中，无泄漏泵技术以其卓越的零泄漏、零污染性能，已渐成当今石化用菜的主流，从而极大地促进石油和化工行业的节能减排和清洁生产。

1.2石油化工泉研究现状
国产的石油化工粟大概经历了三个发展阶段：第一阶段是上世纪中叶，沈阳水栗厂制造了第一代流程栗和耐腐蚀泵；第二阶段是上世纪60年代中期，沈阳水泉厂和沈阳水泉研究所联合设计和开发了第二代流程粟和耐腐蚀粟，但在设计和制造技术上与国外相比还有一定差距；第三阶段是上世纪80年代以后，国产石油化工业行业的整体快速发展，对泵也有了更高的要求，这时菜行业联合开发了我国第三代化工流程泵一IH泵，它成为我国目前主导的一种化工流程菜[2]。国外石油化工泉的制造厂主要有日本桂原公司、德国KSB公司、瑞士苏尔寿公司和美国高斯公司等。从上世纪80年代以后，国内泵行业从国外引进了一系列具有世界先进水平的化工菜，但在全系列的设计和生产上存在着一定的差距[3]。这些差距主要是：粟的标准化、系列化和通用化程度低；可靠性的研宄不足；菜效率相对偏低。因此仍有不少化工流程泵不得不依靠进口。
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第2章石油化工离心粟模型建立、网格划分

2.1石油化工离心泉结构
以增加液体的动能和静压能(主要增加静压能)，叶轮有三种形式，分别为幵式、半闭式和闭式，开式叶轮的叶片两侧无盖板，清洗方便、制造简单，多用于输送含有较多悬浮物的物料，效率不高，输送的液体压力较低；半闭式叶轮在吸入口一侧有盖板，在另一侧无盖板，常用于输送含有颗粒或易沉淀的物料，效率也不高；闭式叶轮有前后盖板分别在叶片两侧，效率好，适用于输送不含杂质的清洁液体。一般的离心菜叶轮多为闭式叶轮[66]。

2.2石油化工离心粟模型建立
IHF70-65-60型石油化工离心泵主要应用于石油、化工、合成纤维、化肥、电站、冶金、食品及医药等工业部门，并且在输送介质为低温或高温的液体、清洁或含有颗粒的液体、中性或腐烛性液体时具有明显的优势，性能稳定，文中针对IHF70-65-60型石油化工离心泵进行了模型泵的建立及数值模拟，探究了其机械密封的可靠性和它的运行性能。图2.2是IHF70-65-60型石油化工离心泵外形图。
采用柱坐标系来建模整个形体。定Z轴为叶轮的轴线，圆周方向为0角，基准点通过叶片上点到轴线的距离r来建立，然后将这些点依次连起来，工作面背面型线就能得到。使用插入基准曲线命令，选择刚刚建立的系列点中的任意起始点；运用创建边界图元命令草绘刚刚建立的曲线，对草绘进行拉伸；叶轮轴面投影图是根据水力图绘制得到的；以叶轮轴面投影图为根据，旋转切除所拉伸叶片。图2.4为IHF70-65-60型石油化工离心粟叶片模型。

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第3章石油化工离心泵流动理论分析 ..........16
3.1石油化工离心泵的工作原理 ........16
第4章石油化工离心泵内部流动数值分析....... 24
4.1数值计算方法及边界条件的确定.......... 24
4. 1. 1数值计算方法 24
第5章结论与展望........... 50
5.1主要研究结论............ 50
5.2 展望 .........50

第4章石油化工离心栗内部流动数值分析

4.1数值计算方法及边界条件的确定
Fluent软件在对IHF70-65-60型石油化工离心栗进行三维定常端流计算时，将叶轮确定在空间某一固定位置，采用多重坐标系模型(Multiple Reference Frame Model)进行计算，即将全流道的流体划分为进口段、叶轮和锅壳三个计算区域[65?71]。IHF70-65-60型石油化工离心栗转速为2900rpm左右，转速较高，易出现强旋度以及旋转剪切流等现象；同时RNGk-s模型计算过程中考虑了旋转效应，对强旋转流动计算的精度较高，故釆用RNGk-s模型，它是对标准的k-f模型的一种修正形式。

4.2定常数值模拟结果
 下面介绍mF70-65-60型石油化工离心菜在设计工况下且以清水为介质的数值模拟得到的性能和内流场特征。下面是IHF70-65-60型石油化工离心栗在设计工况下数值计算结果，其中，0为设计流量，通过数值模拟，得出IHF70-65-60型石油化工离心栗在设计工况下流动特性，并对计算结果进行了分析。

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第5章结论与展望

5.1主要研宄结论
本文利用CFD软件对IHF70-65-60型石油化工离心泵的全流道进行了数值计算，就其定常和非定常内流场的变化及石油化工泵机械密封做了分析。其论文中得出的主要结论如下：1)由内流场定常变化可知，流体进入叶轮后，经叶轮做功，流体获得压能和动能都有不同程度的增加，其中，压能增加最快，最后经蜗壳的引流，流体获得能量，流出蜗壳，即流体获得扬程，且通过计算，扬程达到了该泵的额定扬程；2)由非定常内流场的变化可知，在流动还没有稳定时，泵受到的载荷最大，此时，流动也较紊乱，不利于泵对流体的能量传递，当流动稳定时，流场的压强梯度和速度梯度跨度减小，压强和速度分布均匀，回流等不利于泵做功的因素降低，这也说明了该泵在设计工况下稳定运行时各项参数最佳。

5.2展望
石油化工泵由于输送介质的特殊性，介质对泵的运行影响很大，如何保证其高效又能安全运行一直以来是泵行业研究的重点和难点，本文只是借助FLUENT软件做了一些探宄，很多方面仍值得进一步研究与总结，如：1)由于石油介质的多变性，文中只是以清水进行了数值模拟，介质的变化肯定会对IHF70-65-60型石油化工离心泵各方面运行有一定的影响，当介质为石油化工原料时，该泵的工作能力，还得在实际运行中进一步研宄和分析；2)文中重点研究了该泵的内流场的特性，除了介质对泵实际运行性能的影响外，由于石油化工原料大多具有腐蚀性和有毒性，以及温度对材料的影响，要保证的石油化工离心泵长久安全稳定运行，实际中还必须考虑材料性能的影响。

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参考文献（略）