气液混输泵复合导叶优化及内部流动特性研究

发布时间：2020-09-09 10:22

　　叶片式气液混输泵替代传统的气液分输设备,增压后能够实现大排量且远距离输运,缩短了平台建设周期以及降低了成本,因此受到国内外高度重视。但在国内还没有推广使用,其主要弊端依然是缺乏足够的理论基础和有效的设计方法,从而导致效率低,在恶劣的运行环境下寿命较短。需要为探究高效气液混输泵水力模型,文章以螺旋轴流式气液混输泵为研究对象,依据轴流泵、诱导轮、压缩机的相关水力设计,对气液混输泵的水力设计方法进行了优化。基于气液两相流数值模拟的基本理论,利用Fluent流场数值模拟软件,通过改变多相泵不同复合长短导叶叶片数,以及改变短导叶在导叶流道内的安放位置,优化了原模型动叶与导叶相匹配的流道几何参数,深入分析了该多相泵在不同流量和不同含气率工况下三级增压单元内部气液两相流运动规律以及外特性。其具体研究内容及成果如下:1)依据轴流泵、诱导轮、压缩机等相关的理论设计方法以及相关优化设计文献,建立气液混输泵的水力设计模型。在此基础上利用诱导轮叶片轴向长度优化公式,对增压单元叶片轴向长度进行优化设计,整理出优化动叶叶片轴向长度计算公式在内的一整套气液混输泵水力设计公式。介绍了目前气液两相流数值模拟应用最为可靠的数学模型、控制方程及离散格式。2)利用专业流场模拟软件Fluent,以水和空气作为介质,通过对复合导叶选取不同的长短叶片数,在不同流量和含气率的工况下对整机流体域进行数值模拟,得到气液混输泵增压单元的压力场分布、含气率分布及速度分布图。分析不同叶片数下流道内气液两相的流动机理,并计算出不同工况下整机的增压曲线,扬程曲线以及效率曲线。结果显示,不同导叶叶片数对上一级动叶做功的能量回收有较大影响,对下一级动叶轮内部流场的干扰较大。流道过流面积、排挤系数、摩擦损失三者之间存在一定的关系。长导叶、短导叶叶片数分别都为八时,多相泵的水力性能最优。3)针对气液混输泵空间导叶局部压力过大的现象,设计工况下以多相泵的扬程提高、效率提升以及导叶局部压力降低为优化目标。在保证动叶和长导叶进出口安放角等设计参数不变的前提下,通过CFD数值模拟计算不同复合短导叶安放位置与多相泵的水力效率之间的关系以及内部流场演化机理,从而寻找效率最优的复合短导叶安放位置。结果显示,短导叶安放位置从流道出口移动到流道进口的过程中,存在最佳的安放位置。低速脱流区从导叶流道出口区域移动到了流道进口区域,且低速脱流区面积变小,进口速度逐渐增大。对于多级气液混输泵而言,在气液分离不可避免的情况下,低速脱流区位于复合导叶流道中部时,对前一级的动叶和后一级的动叶流道干扰最小,并且成功的降低了导叶尾部叶顶处的局部高压。文章揭示了短导叶安放位置与多相泵内流场和外特性的关系,为多相泵导叶的优化设计提供了一定的理论依据。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TE974.1;TV136.2
【部分图文】：

优化原理,轴向长度,轮毂,安放角

气液混输泵复合导叶优化及内部流动特性研究轮毂进口叶片角：11 11tantany yhdnDD (3.12)轮毂出口叶片角：11 22tantany yhdnDD (3.13)轮缘翼型安放角：1 22y ycy (3.14)轮毂翼型安放角：1 22h hch (3.15)叶片轮缘包角：cos=360cylt z (3.16)动叶片轴向长度和动导叶间矩

实体结构,单元,气液混输泵

22b) 动叶 c) 导叶图 3.2 增压单元实体结构示意该三级气液混输泵是由吸入室、动叶轮、复合导叶、压出室组成。这些过流件的结构对整机综合性能至关重要。本文通过流线法的设计思想，利用 Pro/件对三级气液混输泵进行水体建模，过流部件水体模型的扭曲状况、光顺度以与真实模型的近似程度都会影响到流场数值模拟的精确度[54]。同时使用该软件装配功能将各个过流部件装配在一起组成一个整体。然后转换成 ICEM 可以接的文件格式进行网格划分，为数值模拟做好铺垫。

水体模,整机,混输泵

气液混输泵复合导叶优化及内部流动特性研究第 4 章混输泵数值模拟与复合导叶叶片数优化化方案与计算域模型气混输泵复合长短导叶叶片数的恰当选择是提高多相泵综合性能的重要此本章内容依据前几章的理论基础以及优化建模方法，通过三维建模软建立长导叶叶片数 Z1和短导叶叶片数 Z2分别为 Z1=7，Z2=7；Z1=8，Z2=8Z2=9 等三种方案。导叶翼型选择 NACA4412 翼型，其他设计参数不变使用专业流场分析软件 Fluent 在不同工况下进行全流场数值模拟分析。算域模型如下图 4.1 所示：

【参考文献】