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离心式固液两相流泵的边界层理论及其在叶轮设计中的应用

作　者: 朱玉才
导　师: 梁冰
学　校: 辽宁工程技术大学
专　业: 工程力学
关键词: 离心泵固液两相流边界层理论边界层分离叶片型线参数方程
分类号: O359
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

固体物料的管道水力输运技术，已有120多年的历史。近年来，已得到了迅速发展。离心式固液两相流泵是固体物料管道水力输运的关键设备，它随着管道水力输运技术的发展而发展。研究固液两相流体在离心泵内的运动规律，完善其设计理论和设计方法，一直是各国工业部门和大学，科研机构的教授、研究人员十分重视的课题。本文在综合国内外关于固液两相流离心泵及与之相关文献的基础上，首次提出并建立了固液两相流泵的边界层理论，给出了叶片型线方程。全文共分七章。第一章为绪论，综述了国内外离心式固液两相流泵的研究概况，阐述了本文研究的目的、意义及主要内容。第二章依据N-S方程，考虑到液、固之间的相间耦合，在基本假设条件下，采用双流体模型，分别建立液、固两相的动量方程，它是固液两相流体的一般方程式；对其在边界层流区内进行量级比较，得到边界层动量微分方程并给出其边界条件，同时也得到固体颗粒在边界层内所满足的简化方程及其解的表达式。第三章给出了固液两相流泵的边界层动量积分方程及其解的一般表达式，并得到叶片表面的无扰动解；引入了无量纲扰动因子Ψ及边界层厚度系数k_δ，给出了用于边界层计算的有限次逼近的计算方法。第四章依据固液两相流泵的边界层理论及对主流区速度场的分析，给出了离心泵叶片型线的参数方程；它是以叶片安装角β为参变数，以引入的速度系数K_v作为中间因子，将两相流泵的边界层理论和欧拉理论联系起来——它说明了这样一个事实，在离心泵叶片型线的设计过程中，它的整个形态或参数的确定都关系到两相流体的流动特性和泵的输出能力，或者说，离心泵型线的设计是其水力设计的核心。那么，仅凭一条预先给定的满足叶轮出入口条件的曲线去来作为叶轮的型线，它必将忽略了这种除了叶轮出入口之外的中间变化过程，而这种中间变化在某种程度来说又反映出微观特性——边界层流动特性；速度系数的引入，它使边界层理论和欧拉理论在泵的叶轮设计过程中得到统一；它使选择叶片曲线的域围拓宽；它也为叶轮的优化设计提供了一个很有参考价值的目标函数。第五章作为固液两相流泵的边界层理论的应用之一，本章给出了它在叶轮设计中应用的计算过程及实例分析。通过实例分析及数值计算，本章得出关于算法和程序的稳定、收敛性结论以及速度系数在计算中所表现出的规律性。第六章叶片型线对比试验。第七章对全文进行总结。

全文目录

1 绪论  10-26
  1．1 引言  10-11
  1．2 离心式固液两相流泵的研究概况  11-16
    1．2．1 国内研究概况  11-12
    1．2．2 国外研究概况  12-16
  1．3 离心式固液两相流泵的设计方法研究概况  16-23
    1．3．1 国内设计方法研究概况  16-18
    1．3．2 国外设计方法研究概况  18-23
  1．4 流体机械边界层研究概况  23-24
  1．5 关于离心式固液两相流泵设计理论的综述  24-25
  1．6 本文研究的内容  25-26
2 固液两相流泵的边界层动量微分方程  26-50
  2．1 引言  26-27
    2．1．1 离心式固液两相流泵边界层理论的主要思想  26
    2．1．2 固液两相流泵的边界层理论概要  26-27
  2．2 固液两相流体的一般方程  27-30
    2．2．1 液相的动量方程  27-28
    2．2．2 固相的动量方程  28-29
    2．2．3 液、固相连续方程  29
    2．2．4 固液两相流体的一般方程  29-30
  2．3 固液两相流泵叶片边界层微分方程的建立  30-40
    2．3．1 正交曲线坐标系  30-31
    2．3．2 液相动量方程和连续方程在一般正交曲线坐标系中的表达式  31-32
    2．3．3 问题的限定范围及简化  32-34
    2．3．4 边界层中相关物理量的量级分析  34-37
    2．3．5 边界条件的确定及无量纲扰动因子和离心扰动系数的引入  37-38
    2．3．6 固液两相流边界层流动模型  38-39
    2．3．7 小结  39-40
  2．4 固相动量方程和连续方程——在边界层区域内的简化和无量纲扰动因子的讨论  40-49
    2．4．1 固相动量方程中相关力的分析  40-43
    2．4．2 在边界层区域内的力的简化  43-47
    2．4．3 扰动因子  47-49
  2．5 小结  49-50
3 固液两相流泵的边界层动量积分及其解  50-76
  3．1 固液两相流边界层动量积分方程  50-53
    3．1．1 固液两相流边界层动量微分方程的积分  50-53
    3．1．2 边界层动量积分方程的分析  53
  3．2 固液两相流边界层动量积分方程的近似解  53-70
    3．2．1 确定速度分布函数  53-56
    3．2．2 形状因子的范围确定  56-59
    3．2．3 确定δ_1,δ_2,τ~0与Λ的关系  59-60
    3．2．4 动量积分方程扰动项、离心惯性项的分析及含有离心扰动因子的动量积分方程  60-61
    3．2．5 变换动量积分方程  61-63
    3．2．6 第二形状因子K函数F（K）和f_1（K）、f_2（K）的讨论及边界层方程解  63-69
    3．2．7 关于固液两相流动量积分方程解的表达式的分析  69-70
  3．3 边界层厚度的有限次逼近  70-73
    3．3．1 扰动因子的进一步分析  70-71
    3．3．2 边界层厚度系数的计算  71
    3．3．3 边界层厚度的有限次逼近  71-73
  3．4 过流表面边界层动量积分方程的一般式  73-74
    3．4．1 过流表面边界层动量积分方程的一般式  73-74
    3．4．2 坐标变换  74
  3．5 小结  74-76
4 离心泵的叶片型线方程  76-88
  4．1 引言  76-77
  4．2 离心泵的边界层分离  77-79
    4．2．1 边界层分离原因  77-78
    4．2．2 边界层分离的危害  78
    4．2．3 离心泵叶片压力面的边界层分离条件  78-79
  4．3 叶片型线方程  79-82
    4．3．1 主流区液相速度分析  79
    4．3．2 叶片型线的参数方程  79-81
    4．3．3 参数方程的分析  81-82
  4．4 欧拉方程的应用——固液两相流泵的基本方程式  82-84
    4．4．1 清水（无固相扰动）离心泵的基本方程式  82
    4．4．2 固液两相流泵的基本方程式  82-83
    4．4．3 边界层内固液两相速度三角形  83-84
  4．5 速度系数的分析  84-86
    4．5．1 速度系数与边界层分离  84-85
    4．5．2 速度系数与无扰动工况条件下的泵的理论扬程  85-86
    4．5．3 速度系数与两相流泵的理论扬程  86
    4．5．4 速度系数的分析结论  86
  4．6 小结  86-88
5 固液两相流泵的边界层理论在叶轮设计中的应用  88-114
  5．1 引言  88
  5．2 叶轮参数  88-92
    5．2．1 用固液两相流理论确定叶轮参数  88-90
    5．2．2 用经验法确定叶轮的参数  90-92
  5．3 叶片型线的确定  92-98
    5．3．1 边界层外边界的速度及其导数  92-94
    5．3．2 边界层不分离条件的校核  94-97
    5．3．3 输运液固混合物时泵的理论扬程  97-98
    5．3．4 速度系数的确定及固液两相流泵的型线方程  98
  5．4 实例分析  98-113
    5．4．1 边界层外边界的速度及其导数  99-100
    5．4．2 边界层不分离条件的校核  100-109
    5．4．3 输运液固混合物时泵的理论扬程的分析  109-111
    5．4．4 速度系数的确定及100型渣浆泵的型线方程  111-113
  5．5 小结  113-114
6 试验  114-122
  6．1 实验概述  114
  6．2 试验用叶轮设计参数  114-115
    6．2．1 原型泵的性能参数、工况条件及叶轮几何参数  114
    6．2．2 试验用模型泵叶片型线的设计数据  114-115
  6．3 对比实验  115-120
    6．3．1 试验装置、试件  115-116
    6．3．2 测试参数  116-120
    6．3．3 测试泵的效率曲线与原型泵的对比  120
  6．4 试验结果分析  120-121
  6．5 实验结论  121-122
7 结束语  122-126
  7．1 理论研究方面  122-123
  7．2 理论应用方面以及由数值分析和计算所得到的主要结论  123-124
  7．3 对比试验结论  124-125
  7．4 主要成果  125-126
参考文献  126-133
作者简介  133-135
致谢  135

离心式固液两相流泵的边界层理论及其在叶轮设计中的应用

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