氟塑料离心泵固液两相流数值模拟及优化设计

发布时间：2020-05-31 18:51

【摘要】：氟塑料泵作为目前比较理想的一种耐腐蚀化工泵,广泛应用于我国石化、冶金行业,主要输送强酸、强碱、强氧化剂等强腐蚀性介质。尽管氟塑料离心泵以制造方便、价格便宜等优势渐渐替代了传统的金属化工泵,但是其水力效率低的问题一直没能得到有效解决,且因为叶轮部件由氟塑料制成,输送固液两相介质时,介质中的固体颗粒容易与叶轮表面发生碰撞、摩擦,耐磨损性能差也是氟塑料泵需要解决的关键问题。为了解决上述问题,本文针对以氟塑料离心泵内部固液两相流动规律作出研究,并将氟塑料离心泵的效率及耐磨损性能作为目标函数,叶轮的主要几何参数作为自变量,以响应面方法建立各目标函数与显著因素之间的关系,通过Matlab优化工具箱中的遗传算法对离心泵进行多目标优化设计,提升氟塑料离心泵的综合性能。本文主要工作内容如下:(1)针对氟塑料离心泵,选取了适用的固液两相流动湍流模型、颗粒模型和离心泵流体计算域。根据流场中固液两相的流动状态及相间相互作用关系,对颗粒在流场中受到的综合力进行分析,基于纳维-斯托克斯公式得到颗粒运动方程,确定计算模型为欧拉-拉格朗日颗粒轨道模型,湍流模型为可实现的k-ε模型。通过UG对研究对象SJB300-250-400型氟塑料离心泵进行三维建模,将泵的各个水体域导入ICEM进行网格划分,对各个域的交界面网格尺寸进行处理后,在FLUENT软件中设置边界条件并对氟塑料离心泵内部固液两相流场进行计算。(2)系统分析了不同工况及固相颗粒物理性质对氟塑料离心泵内部固液两相流场的影响。针对不同流量工况,进口固相体积分数以及粒径对泵内压力、固相浓度、滑移速度和叶片表面的阻力系数的分布规律进行数值模拟计算及分析研究,发现粒径的变化对泵内流场基本没有影响,且不同粒径下泵的外特性也无明显变化,叶轮耐磨损性能随粒径增加而减小;各体积分数下的效率值均随流量增加而减小,在颗粒相为稀疏相且浓度很低的情况下,体积分数的变化对效率影响不大;随固相体积分数的增加,叶轮耐磨损性能总体呈下降趋势,相比于不同粒径,体积分数的变化对叶轮表面耐磨损性能的影响较小。(3)提出了多目标优化设计方法,优化了叶轮主要几何参数,提高了氟塑料离心泵综合性能。由于叶轮几何参数较多,本文首先采用P-B试验设计法确定各参数对优化指标的影响显著程度,然后通过田口方法分析次显著因素对优化指标的重要程度并确定次显著因素的最佳组合,最后以响应面方法建立各目标函数与显著因素之间的关系,并通过Matlab工具箱中的遗传算法统一多目标函数并进行求解得到显著因素的最优参数组合;根据优化结果加工叶轮,进行氟塑料两相流泵外特性实验。研究结果表明,优化后的氟塑料离心泵效率提高了8.98%,磨损率下降了6.64%,达到了预期优化目标。本文的研究结论为大型氟塑料离心泵的优化设计提供了重要依据,具有一定的水力设计参考价值。
【图文】：

装配图,氟塑料,离心泵,装配图

图1-1、1-2 所示分别为 SJB300-250-400 型氟塑料离心泵装配图和产品图。1.泵体 2.叶轮 3.轴 4.泵盖 5.机封动环 6.机封静环 7.机封静环座 8.水封压盖 9.轴承箱体10.轴承 11.叶轮螺母 12.轴承图 1-1 氟塑料离心泵装配图Fig. 1-1Assembly Drawing of Fluoroplastics Centrifugal Pump近年来，塑料泵在市场中的份额不断增长，其发展势头已经不断赶超磁力泵，根据各大企业使用后的反馈可知，塑料泵的性能较优，稳定性和耐用性方面都远超其他泵型。但是也存在着不足：氟塑料泵为了考虑叶片压模难题，叶片通常设计为圆柱形叶片，因此，泵的水力效率普遍较低，加上介质黏度和颗粒的影响，氟塑料泵的效率一般为 30-50%左右，，机组耗能问题非常严重。从化工流程泵的生命周期成本来看，泵的运行成本一般是最初购买成本的几十倍。因此，提高氟塑料泵的水力效率、水力部件耐磨损性能，对降低泵的寿命周期成本、实现行业

氟塑料,离心泵,实物,响应面方法

图 1-2 氟塑料离心泵实物图ig.1-2 Physical drawings of fluoroplastics centrifugal pum的意义。，本文综合运用数值模拟方法及响应面方法对
【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】：TQ051.21

【参考文献】