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潜水搅拌机射流特性及实验研究

作　者: 田飞
导　师: 施卫东
学　校: 江苏大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 潜水搅拌机射流效率流动特性匹配性实验研究流动测量数值模拟
分类号: X703.3
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
下　载: 23次
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-14
第一章绪论  14-26
  1.1 课题研究的意义与背景  14-16
  1.2 潜水搅拌机简介  16-20
  1.3 潜水搅拌机研究进展  20-24
    1.3.1 潜水搅拌机水力设计方法研究进展  20-21
    1.3.2 潜水搅拌机CFD技术研究现状  21-22
    1.3.3 潜水搅拌机内部流场测量研究现状  22-24
  1.4 本文的研究工作  24-26
第二章潜水搅拌机叶片设计理论  26-48
  2.1 叶片设计方法  26-29
  2.2 水动力学分析  29-41
    2.2.1 速度三角形  30-32
    2.2.2 水推力和转矩  32-33
    2.2.3 潜水搅拌机功率  33-37
    2.2.4 潜水搅拌机效率  37-38
    2.2.5 最佳环量分布  38-41
  2.3 叶片参数的选择  41-46
  2.4 本章小结  46-48
第三章潜水搅拌机湍流场数值计算方法  48-60
  3.1 计算流体动力学  48-49
    3.1.1 CFD简介  48-49
    3.1.2 潜水搅拌机数值模拟的难点以及注意事项  49
  3.2 控制方程  49-50
  3.3 时间步长  50-51
  3.4 网格无关性分析  51-54
  3.5 池面边界条件的处理  54-58
    3.5.1 外特性比较  55-56
    3.5.2 流场比较  56-58
  3.6 湍流流动的近壁区处理  58
  3.7 其他边界条件的设置  58
  3.8 本章小结  58-60
第四章潜水搅拌机在水池内的安装  60-76
  4.1 潜水搅拌机安装方式  60-61
  4.2 潜水搅拌机安装高度  61-63
  4.3 潜水搅拌机安装角度  63-65
  4.4 多个搅拌机共同作业  65-75
    4.4.1 长方形水池  65-71
    4.4.2 方形水池  71-75
  4.5 本章小结  75-76
第五章潜水搅拌机射流流场理论  76-100
  5.1 潜水搅拌机流态分析  76-80
  5.2 潜水搅拌机射流理论  80-85
    5.2.1 无旋圆断面射流  80-81
    5.2.2 有旋圆断面射流  81-85
  5.3 池内流体特性分析  85-87
  5.4 各类速度分布规律  87-98
    5.4.1 速度沿径向分布规律  88-93
    5.4.2 轴向速度沿径向分布规律  93-96
    5.4.3 径向速度与周向速度沿径向分布规律  96-97
    5.4.4 最大轴向速度沿轴向衰减情况  97-98
  5.5 本章小结  98-100
第六章 WJ0.75-4-210潜水搅拌机的流场特性  100-128
  6.1 潜水搅拌机模型  100
  6.2 数值模拟  100-101
  6.3 外特性分析  101-102
  6.4 水池内流体流场特性  102-108
  6.5 定常计算流场分析  108-117
    6.5.1 水池内流体流场分析  108-112
    6.5.2 叶轮内流体流场分析  112-117
  6.6 非定常外特性分析  117-125
    6.6.1 转矩、效率、水推力非定常特性  118
    6.6.2 压力脉动特性分析  118-125
  6.7 本章小结  125-128
第七章潜水搅拌机的实验  128-144
  7.1 全流场测量  128-132
  7.2 局部流场测试  132-142
    7.2.1 实验原理  132-134
    7.2.2 示踪粒子  134
    7.2.3 实验简述  134-135
    7.2.4 数据分析  135-142
  7.3 本章小结  142-144
第八章总结与展望  144-148
  8.1 研究总结  144-146
  8.2 发展展望  146-148
参考文献  148-158
致谢  158-160
作者在攻读博士学位期间取得的相关科研成果  160-162

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