开式叶轮离心纸浆泵内纤维悬浮液流场试验研究

发布时间：2020-04-18 13:52

【摘要】：纸浆泵作为造纸工艺流程中重要的动力输送设备,为响应国家的节能减排政策,提高纸浆泵性能具有重大意义。本文以扭曲三叶片开式叶轮离心式纸浆泵为研究对象,以清水和头发纤维悬浮液为介质,通过外特性试验和粒子图像测速(Particle image velocimetry,PIV)试验分析了悬浮液对泵外特性和叶轮内部流场的影响,并采用频闪试验研究拍摄叶轮流道内头发纤维颗粒的分布,分析了头发纤维颗粒在叶轮流道内的浓度分布和纤维取向分布。以上试验研究结果可以对之后高效率纸浆泵的设计提供借鉴。本文主要研究工作和成果如下:(1)通过清水PIV试验,对不同流量下纸浆泵叶轮流道内中间截面Z1和靠近后盖板的截面Z2上的相对速度分布进行研究,试验结果表明:在叶轮出口区域,Z1和Z2截面上的相对速度基本一致,而在其它位置处Z1和Z2截面上的相对速度相差较大。(2)通过PIV试验,测量了头发悬浮液液相流体在Z1截面上的相对速度分布,并与清水PIV结果进行对比发现:在小流量工况下,由于颗粒相的存在,使得液相流体的相对速度小于清水相对速度。且随着位置向叶轮出口方向移动,液相流体和清水之间的速度差在减小。随着悬浮液浓度增大,在r_0/r_2=0.6、r_0/r_2=0.7和r_0/r_2=0.85(r_0表示测量所在位置半径,r_2表示叶轮出口半径)处,液相流体的相对速度减小,在r_0/r_2=1处,液相流体的相对速度增大;随着流量的增大,r_0/r_2=0.6、r_0/r_2=0.7处液相流体和清水之间的速度差减小,r_0/r_2=0.85处的速度差增大,r_0/r_2=1处的速度差基本不变。当流量增大时,叶轮内不同半径处液相流体相对速度随悬浮液浓度增大而变化的幅度降低。颗粒相的存在使得从吸力面到压力面液相流体的速度变化幅度相对清水减小,流道内的速度分布更加均匀。(3)通过频闪试验,拍摄了在不同流量下,0.1%和0.2%浓度悬浮液固相颗粒在叶轮流道内的分布,试验结果表明:小流量工况下,在靠近叶轮出口区域,叶片吸力面附近头发颗粒的浓度大于压力面附近头发颗粒浓度,靠近压力面一侧流道内,头发颗粒呈现出沿圆周方向取向的现象。额定流量和大流量工况下,在吸力面附近流道内,头发颗粒呈现出沿径向方向取向的现象。随着流量的增大,叶轮流道内的头发颗粒分布相对更加均匀。(4)通过试验测量了间隙为0.5mm和0.9mm时输送清水时泵的外特性和间隙为0.5mm时输送0.1%和0.2%浓度头发悬浮液时泵的外特性曲线,通过对外特性结果分析发现:当叶轮与前后挡板之间的距离增大时,泵的扬程和效率下降,且随着间隙的增大,泵的最优工况点向小流量偏移。纸浆泵在输送头发悬浮液时的扬程和效率低于输送清水时的扬程和效率,且随着悬浮液浓度的增大,泵的扬程和效率会进一步降低,在输送低浓度头发悬浮液时并未出现纤维悬浮流减阻现象。
【图文】：

过程图,纸浆悬浮液,流体化,过程

图 1-1 管道内纸浆悬浮液的流体化过程Fig. 1-1Fluidization process of pulp suspension in pipeline纸浆悬浮液的流变特性是其重要的流动特性，由于中高浓度纸浆悬浮液在一定的剪切应力的作用下具有了流动性，使得通过叶片式泵输送中高浓度纸浆悬浮液成为可能。在中高浓度纸浆悬浮液流变特性的研究方面，1981 年 Gullichsen等通过试验发现了中浓纸浆在高剪切应力下会变成能像水一样流动的流体，并且其流动阻力会减小即“阻力减小”现象[47]。1990 年 Ogawa 等对圆管中纸浆悬浮液湍流进行了研究，认为雷诺数大于 2500 之后纸浆悬浮液会进入湍流状态，，并指出纸浆悬浮液的广义雷诺数与纸浆悬浮液的种类、纸浆浓度、纸浆粘度、纸浆流速以及容器的形状有关[48]。陈克复通过试验得出草类纤维和废纸纤维悬浮液的表观粘度及压头损失值的计算式，得出 7 种中浓纤维悬浮液进入“流体化”段的临界剪切应力值计算式[49]。陈奇峰等[50]通过试验研究了浓度为 10%的未漂马尾松硫酸盐木浆在不同形状转子下的流体化过程，得出了中浓纸浆流体化时的临

模型泵,蜗壳,叶轮,挡板

叶轮和蜗壳使用透明有机玻璃材料制造，为了减少在 PIV 试验时蜗壳对激光的壳外形设计为方形，并且通过在泵的进口处安装半螺旋吸水室将电机放在泵的进口同以使得在泵的后盖板一侧没有障碍物阻挡对泵内流动情况的观察，方便了 PIV 试验验时相机对泵内流场的拍摄。重新设计的模型泵结构图和零件图如图 2-3 所示。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TS737.2

【参考文献】