潜水搅拌机射流特性及实验研究

发布时间：2020-04-27 21:57

【摘要】：潜水搅拌机属于新型高效的污水处理搅拌机械,在工业、农业等污水处理方面有着广泛的应用。随着国家对环保与污水处理的高度重视,潜水搅拌机应用行业得到了前所未有的拓展。为了探索潜水搅拌机设计理论、搅拌流体内部流动机理以及流动规律,本文基于理论分析、物理实验与数值模拟并重的研究方法,对潜水搅拌机进行了系统研究。本文主要研究内容和创新点如下： 1、首次推导了潜水搅拌机的水推力、转矩、功率计算公式,得出了搅拌功率与搅拌机转速的3次方呈正比,搅拌功率与搅拌流体密度呈正比,水推力与搅拌流体密度呈正比的结论；首次从理论角度推导出潜水搅拌机效率的估算公式,得出了潜水搅拌机效率与水推力的3/2次方呈正比,与叶轮直径成反比,与叶轮转速呈反比的关系,为潜水搅拌机叶片设计提供了理论依据。 2、对网格无关性进行了讨论。比较分析了刚盖假定、VOF模型、Wall壁面等三种水池自由液面的处理方法,通过计算值与实验值的对比,综合实际条件,最终选择刚盖假定处理水池自由液面,模拟计算较为合理。 3、针对不同形状的水池,首次提出了单个或多个潜水搅拌机的最佳安装方式,以获得满意的搅拌效果,对工程应用具有重要的指导价值。 4、结合四种不同型号潜水搅拌机的数值模拟计算结果,首次提出了潜水搅拌机搅拌流体流态属于淹没非自由湍流圆断面旋动射流,且径向壁面射流、冲击射流相互影响,水池内存在卷吸现象、附壁现象、旋涡现象；分别给出潜水搅拌机的轴向推进距离x,扰动半径R的计算方式,提出水池与潜水搅拌机的匹配原理,填补了此类工程技术方面的理论空白。总结出了流体冲出潜水搅拌机出口一定距离后,流速分布具有相似性,其满足形式的关系；同时揭示出最大轴向速度沿轴向以双曲线形式衰减的规律。 5、重点对WJ0.75-4-210潜水搅拌机搅拌的4000mm×1000mm×1500mm水池内流体进行了详细的定常和非定常数值模拟。首先,对水池内流体进行定常计算,考察水池内附壁效应与旋涡现象,分析池内流体轴向速度、径向速度与周向速度沿径向分布,分别研究叶轮区域的压力场与速度场,叶轮出口的环量、轴面速度、轴向速度、径向速度、周向速度,得出以下结论：水池内流体为高雷诺数、湍流强度大的流体；水池内流体经由叶轮形成射流,流体轴向推进,径向扩散；叶轮附近流体速度较大,池内其他部位流体速度较小；池面与池底的流体速度场为双抛物线分布,水池中部搅拌机安装截面附近流体速度为抛物线分布；水池内流体流场附壁效应现象明显,池内形成了大尺度的旋涡以及Λ型涡结构,还有很多小尺度的涡,流动非常复杂,这些均与理论分析相互验证。接着,对水池内流体进行非定常计算,考察叶轮进口、叶轮内以及叶轮出口压力脉动的幅域、时域和频域。从而揭示了WJ0.75-4-210潜水搅拌机搅拌流场的流动机理与流动规律,为深入研究潜水搅拌机设计制造的关键技术奠定了一定基础。 6、首次采用两种方法对潜水搅拌机搅拌流场进行了测试,一种是利用流速仪测试全流场；另一种是利用PIV测试局部流场。测试结果充分证明了前面章节总结的潜水搅拌机搅拌流体特性及搅拌流场规律的可靠性。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X703.3

【参考文献】