湍流发生器内部流动及中浓纸浆泵试验研究

发布时间：2017-04-30 14:05

  本文关键词：湍流发生器内部流动及中浓纸浆泵试验研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本课题来源于国家科技支撑项目“典型工业流程泵输送系统关键技术及运行节能策略”(编号：2011BAF14B02),并在“江苏省高校优势学科建设工程资助项目”的资助下展开工作。本文在研究中浓纸浆悬浮液流动机理的基础上,测量中浓纸浆的流变特性,建立了中浓纸浆的流变模型参数；理论推导和试验测量了湍流发生器中气泡运动的速度与运动轨迹方程,试验研究了湍流发生器内部的速度和湍流动能的分布规律。基于湍流发生器内部流动研究,初步建立了湍流发生器的设计方法。从气液分离的角度出发,采用数值模拟的方法研究中浓纸浆泵内部的气液分离规律；搭建中浓纸浆泵试验台,研究中浓纸浆泵的运行性能特性。主要研究工作可分为以下几个方面：(1)通过试验研究测量了两种中浓度纸浆的密度、剪切应力和剪切旋转速度,研究了中浓度纸浆在湍流化过程中的流变特征。为实现中浓度纸浆悬浮液的湍流化,达到中浓度纸浆泵送的目的做好试验数据的准备。(2)通过理论分析和试验测量,研究了气泡在湍流发生器中的气液两相流运动特征。通过分析气泡在湍流发生器中的受力情况,推导出气泡在运动过程中的速度以及运动轨迹方程,分析了气泡的动力学特性。搭建了一套可视化两相流测试平台,采用高速摄影技术拍摄气泡在湍流发生器中的运动图像序列。编制图像处理程序,追踪目标气泡,获取气泡特征参数,得到0.8mm、1.5mm、1.9mm直径气泡在湍流发生器中80r/min、130r/min、200r/min转速下的瞬态运动轨迹。研究表明,气泡的径向位置与转过的角度成自然指数函数关系,且随着气泡的直径和旋转角速度的增加而快速减小。湍流发生器旋转速度的增加有利于气泡的加速向心运动；直径较大的气泡率先到达旋转轴。(3)利用PIV (particle image velocimetry)试验装置,研究了不同转速下湍流发生器内流体运动特征。设计了一种新型的PIV测量装置,通过调整反光镜的角度和位置,能够快捷有效地对湍流发生器内的多个平面流场进行测试。为了研究转速对流场的影响,利用PIV技术分别测量了湍流发生器在80r/min、130r/min和200r/min三种转速下的内部流场。采用无量纲法定量分析湍流发生器内部的轴向速度、圆周速度和湍流动能的分布情况。试验结果表明：垂直截面上,在湍流发生器叶片作用区域内,轴向速度随着径向位置增加而逐渐减小,在叶片作用区域外,轴向速度的方向发生改变且随着径向位置增加而逐渐增大；液体从湍流发生器叶片进口向上运动至出口,而后从叶片作用区域外向下返回至叶片进口,形成循环。水平截面上,圆周速度先随着径向位置的增而先增加,在湍流发生器的外径处达到最大值,而后逐渐减小。湍流发生器内部的湍流动能随着转速的升高而逐渐增大,且较高的湍流动能主要集中在湍流发生器叶片的进口及外径处。(4)基于湍流发生器内部流动理论分析和试验研究,初步建立了湍流发生器的设计方法。分析湍流化时中浓纸浆在湍流发生器中(剪切室内)的速度分布,确定了中浓纸浆在中浓纸浆泵中湍流化的临界条件,结合试验测量得到的中浓纸浆流变数据,提出了湍流发生器叶片外径的计算公式。根据气泡的运动轨迹,找到了气液分离时需要的时间,进而给出了湍流发生器轴向长度的计算方法。通过研究湍流动能的分布特点,确立了湍流发生器叶片进口设计方法。(5)数值模拟中浓纸浆泵中气液两相流动,研究了泵内部的气液分离特征。基于欧拉-欧拉多相流模型,对泵内的气液分离进行了三维非定常数值模拟,分析了转速、真空度和流量对气液分离的影响及瞬态气液分离过程。结果表明：随着转速的增加,较高的气体体积分数区域集中于湍流发生器叶片的背面,叶轮内的气体含量减小。真空度的大小对湍流发生器内的气液分离影响较小。随着流量的增加,湍流发生器内气体体积分数较高的区域面积逐渐减小,大流量工况下气体集聚在湍流发生器的背叶片根部。背叶轮的作用使气液得到了进一步的分离。在叶轮的排气孔附近产生并聚集了大量气体,并伴随着强烈的气液两相流相互作用而变化。研究气体体积分数的周期性分布规律对叶轮内排气孔的设计具有重要的指导意义。(6)通过真浆试验,研究了不同运行条件对中浓纸浆泵性能的影响。设计了一种基于声呐流量测试系统的中浓纸浆泵性能试验台,通过试验研究分析了纸浆浓度为7.52%、9.3%、12.1%,转速为960r/min、1140r/min、1500r/min和不同排气抽吸真空度时,泵的扬程、效率、出口含气率及最大极限流量变化特征。试验结果表明：随着纸浆浓度的增加,同一流量下扬程、效率逐渐下降。真空度对泵的性能特性有显著的影响,在不抽真空条件下,中浓纸浆泵可实现7.52%浓度纸浆的输送,但随着流量的增加,扬程、效率明显下降；随着抽吸真空度的增大,扬程逐渐升高,且存在一个最佳真空度值使得泵效率最高,泵出口纸浆的含气率逐渐降低。扬程随转速的增加而升高,泵出口纸浆的含气率降低；所需真空度随转速的增加而减小,表明提高泵转速有利于纸浆中气液的分离从而降低所需的真空度值。泵出口纸浆中含气率随着纸浆浓度的增加而升高,同时所需的抽吸真空度也迅速增加。最大流量极限值随着纸浆浓度的增加而减小,随转速的增加而增加。
【关键词】：端流发生器 中浓纸浆累 流变特性 内部流动 气液分离 设计 试验II
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TS73
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 主要符号说明12-18
• 第一章 绪论18-38
• 1.1 研究背景、目的及意义18-21
• 1.1.1 研究背景18-20
• 1.1.2 研究的目的和意义20-21
• 1.2 中浓纸浆泵湍流发生器国内外研究现状21-36
• 1.2.1 中浓纸浆泵的结构概述21-22
• 1.2.2 纸浆悬浮液的物理性质22-26
• 1.2.3 中浓纸浆悬浮液的湍流化26-28
• 1.2.4 中浓纸浆泵内部的气液分离28-31
• 1.2.5 中浓纸浆泵及湍流发生器的设计方法31-32
• 1.2.6 中浓纸浆泵的试验测量32-35
• 1.2.7 中浓纸浆泵国内外研究现状总结35-36
• 1.3 本文研究的主要内容36
• 1.4 研究的方法和技术路线36-38
• 第二章 中浓纸浆悬浮液的流动及湍流化特征研究38-56
• 2.1 中浓纸浆悬浮液的流动特性38-46
• 2.1.1 非牛顿流体的定义及分类38-39
• 2.1.2 中浓纸浆的流体特性39-41
• 2.1.3 纸浆在管道中的不同流动形式41-44
• 2.1.4 纸浆的流变数学模型44-45
• 2.1.5 纸浆流变性质的测量45-46
• 2.2 中浓纸浆悬浮液剪切理论的研究46-47
• 2.3 中浓纸浆悬浮液流态判定依据47-48
• 2.4 中浓纸浆悬浮液气泡分离运动理论48
• 2.5 中浓纸浆湍流化特征的研究48-53
• 2.5.1 中浓度纸浆密度和浓度的测量48-49
• 2.5.2 试验装置与方法49-51
• 2.5.3 剪切应力与剪切速率之间的关系51-53
• 2.6 本章小结53-56
• 第三章 湍流发生器中气泡运动特性研究56-68
• 3.1 气泡在湍流发生器中的运动理论56-60
• 3.1.1 气泡的水平向心运动57-58
• 3.1.2 气泡的垂直向上运动58-59
• 3.1.3 气泡的水平向心运动轨迹59-60
• 3.2 气泡在湍流发生器中运动的试验研究60-62
• 3.2.1 试验装置60-61
• 3.2.2 图像处理方法61
• 3.2.3 气泡直径的测量61-62
• 3.3 试验结果与讨论62-65
• 3.4 论与试验结果的对比分析65
• 3.5 本章小结65-68
• 第四章 湍流发生器内部流场的PIV测量与研究68-88
• 4.1 PIV测速技术的介绍68-69
• 4.1.1 基本工作原理68-69
• 4.1.2 PIV的主要要参数及选择69
• 4.2 PIV测量装置的设计69-72
• 4.3 测试方法及试验方案72-74
• 4.3.1 垂直截面流场的测量73
• 4.3.2 水平截面流场的测量73-74
• 4.4 湍流发生器内部流场的研究74-86
• 4.4.1 垂直截面流场的分布规律76-80
• 4.4.2 水平截面流场的分布规律80-83
• 4.4.3 湍流动能的分布83-86
• 4.5 本章小结86-88
• 第五章 中浓纸浆泵湍流发生器设计方法的研究88-96
• 5.1 中浓纸浆泵湍流发生器叶片外径的确定88-89
• 5.2 湍流发生器叶片轴向长度的计算89-91
• 5.3 湍流发生器叶片型的设计91-93
• 5.4 湍流发生器叶片进口安放角和出口安放角的确定93
• 5.5 湍流发生器轮毂和叶片厚度的确定93-94
• 5.6 湍流发生器设计方法的实际工程应用94-95
• 5.7 本章小结95-96
• 第六章 中浓纸浆泵内部气液分离的数值模拟研究96-116
• 6.1 纸浆泵的气液分离原理96
• 6.2 数值计算96-102
• 6.2.1 控制方程、湍流模型及非牛顿流体的物理模型选择97-100
• 6.2.2 边界条件及计算网格100-102
• 6.3 结果与分析102-114
• 6.3.1 转速对气液分离的影响103-106
• 6.3.2 抽气真空度对气液分离的影响106-107
• 6.3.3 流量对气液分离的影响107-108
• 6.3.4 瞬态气液分离特征过程108-114
• 6.4 本章小结114-116
• 第七章 中浓纸浆泵性能试验研究116-136
• 7.1 中浓纸浆泵试验台设计及试验方案116-120
• 7.1.1 中浓纸浆泵样机结构116-117
• 7.1.2 中浓纸浆泵试验台设计117-119
• 7.1.3 试验方案119-120
• 7.2 中浓纸浆泵性能试验结果分析120-133
• 7.2.1 纸浆浓度对泵性能(扬程、效率及出口介质的含气率)的影响121-123
• 7.2.2 真空度对泵性能的影响123-124
• 7.2.3 转速对泵性能的影响124-126
• 7.2.4 扬程比和效率比分析126-129
• 7.2.5 转速对真空度、含气率的影响129-131
• 7.2.6 不同浓度和转速下所需的真空度值131-132
• 7.2.7 不抽真空时纸浆泵的运行极限132-133
• 7.3 本章小结133-136
• 第八章 总结与展望136-140
• 8.1 主要研究成果总结136-138
• 8.2 创新点提炼138-139
• 8.3 研究工作展望139-140
• 参考文献140-148
• 附录1148-149
• 附录2149-150
• 附录3150-153
• 附录4153-154
• 攻读学位期间参加的科研项目和取得的科研成果154-158
• 一、参加的科研项目154
• 二、发表的学术论文154-155
• 三、授权专利155-156
• 四、申请专利156
• 五、参加学术会议情况156-157
• 六、获奖情况157-158
• 致谢158-159

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