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导叶式螺旋离心泵内固液两相流动的数值计算与分析

作　者: 赵文杰
导　师: 李仁年
学　校: 兰州理工大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 导叶式螺旋离心泵固液两相流数值模拟流量固相体积分数
分类号: TH311
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

现代社会工业高度发展,越来越多的生产过程都需要输送多相流体介质,所以多相流体介质的混输技术是当今社会输送技术的发展趋势,而多相混输泵也在此时应用而生。螺旋离心泵是一种具有容积泵与离心泵两方面作用的新型多相混输泵。与一般的离心泵相比,螺旋离心泵具有无堵塞性能好、无损性能好、效率高,功率曲线比较平缓等许多优点。故其在工业领域得到了广泛的应用。随着当今社会的不断发展,工业生产对螺旋离心泵的使用环境要求越来越严格,普通的螺旋离心泵采用螺旋形的叶轮,蜗壳式的压水室来进行设计,虽然能在较大程度上满足工业的需求,但由于受泵结构的影响,在某些条件下,由于受井径等限制,需要较小的轴向尺寸,因此不能在水下以及深海等工业领域广泛使用。而轴流泵内流体虽然是轴向进出口,但是其扬程较低,在许多情况下不能满足生产需求。本文针对泵行业以及工业的需求,提出将普通螺旋离心泵的叶轮,与空间导叶型的压水室结合,使得螺旋离心泵内流体的的进出口在同一直线上,形成了导叶式的螺旋离心泵。其独特的结构既融合螺旋离心泵与空间导叶式压水室两者的优点,也解决了工业需要轴向流动式的水泵扬程较低的问题。由于螺旋离心泵的输运介质大多为固液两相,而固相和液相的密度不同,在混输运行时会使不同相产生滑移速度,这样不但影响泵的水力性能,而且容易使过流部件的表面由于固相积聚造成磨损。因此探究固液两相流动在导叶式螺旋离心泵内部流动情况,可以为改进螺旋离心泵的性能以及对其研究与优化提供有效参考和依据。本文针对导叶式螺旋离心泵内部固液两相流动情况的主要研究内容如下：1、利用FLUENT软件对导叶式螺旋离心泵清水介质下全流道进行数值模拟,并验证导叶式螺旋离心泵的设计的合理性。2、利用FLUENT软件对导叶式螺旋离心泵在5种不同流量、5种不同固相体积浓度下的内部固液两相流流场进行了数值模拟与分析,获得了导叶式螺旋离心泵在不同流量和不同固相体积浓度对其外特性跟过流部件的内流场(压力、速度、固体浓度分布)的影响。3、对导叶式螺旋离心泵与蜗壳式螺旋离心泵进行内外特性对比分析,得出导叶式螺旋离心泵的优点与适用场合。并对导叶式螺旋离心泵的过流部件磨损进行了分析。通过对导叶式螺旋离心泵的理论分析与数值模拟计算,得出的主要结论如下：1、首先对导叶式螺旋离心泵在清水的设计工况下的数值模拟,得出了导叶式螺旋离心泵在清水介质下的过流流道内部的流动状况,并验证了导叶式螺旋离心泵的设计是比较合理的。2、通过对导叶式螺旋离心泵固液两相流动固相浓度一定流量不同的工况下的数值模拟结果进行分析,得出了导叶式螺旋离心泵在固相浓度一定但流量不同的各过流部件的压力、速度、固相浓度的变化规律。3、通过对导叶式螺旋离心泵在设计流量且进口不同固相浓度的数值模拟进行分析,得出了导叶式螺旋离心泵在设计流量不同固相体积分数下各过流部件的外特性以及压力、速度、固相浓度的变化规律。4、通过对导叶式螺旋离心泵的数值模拟计算,得出了导叶式螺旋离心泵在不同流量不同固相浓度下的流量扬程曲线以及轴向力与径向力。对导叶式螺旋离心泵与蜗壳式螺旋离心泵在固相浓度一定,流量变化的工况下进行了内外特性的对比,得出了导叶式螺旋离心泵的优点与适用场合,并分析了导叶式螺旋离心泵过流部件的磨损规律。

全文目录

目录  5-7
摘要  7-9
Abstract  9-12
第1章绪论  12-21
  1.1 课题来源及名称  12
    1.1.1 课题来源  12
    1.1.2 课题名称  12
  1.2 多相流体混输泵概述  12-13
  1.3 多相混输泵分类  13-15
  1.4 多相混输泵的设计以及研究方法  15-18
    1.4.1 多相流体动力学的数学模型研究  15
    1.4.2 多相混输泵的研究方法  15-16
    1.4.3 多相流动的数值模拟方法  16-17
    1.4.4 多相流数值数值模拟存在的问题  17-18
  1.5 多相混输泵内部流动的研究现状  18-20
    1.5.1 多相混输泵的研究现状  18
    1.5.2 螺旋离心泵的研究现状  18-19
    1.5.3 螺旋离心泵研究中存在的问题  19-20
  1.6 本文主要研究内容概述  20-21
第2章导叶式螺旋离心泵三维造型及网格划分  21-29
  2.1 导叶式螺旋离心泵的三维建模  21-24
    2.1.1 PRO/E系统简介  21
    2.1.2 导叶式螺旋离心泵实体建模  21-24
  2.2 导叶式螺旋离心泵的网格划分  24-28
    2.2.1 网格划分简介  24-25
    2.2.2 ICEM-CFD网格划分软件的特点  25
    2.2.3 导叶式螺旋离心泵网格的划分  25-27
    2.2.4 网格无关性检查  27-28
  2.3 本章小结  28-29
第3章计算流体动力学基本理论  29-36
  3.1 计算流体力学基本方程  29-31
    3.1.1 质量守恒方程  29-30
    3.1.2 动量方程  30-31
    3.1.3 能量方程  31
    3.1.4 确定初始条件  31
  3.2 FLUENT数值计算方法  31-33
    3.2.1 有限体积法  32
    3.2.2 流场计算方法  32-33
  3.3 多相流模型  33-34
    3.3.1 多相流模型简介  33
    3.3.2 多相流模型选择的基本原则  33-34
  3.4 数值计算方法及边界条件的确定  34-35
    3.4.1 边界条件的确定  34-35
    3.4.2 数值计算方法  35
    3.4.3 计算迭代残差的设置  35
  3.5 本章小结  35-36
第4章导叶式螺旋离心泵数值模拟结果与分析  36-66
  4.1 导叶式螺旋离心泵在清水介质设计流量下计算结果与分析  36-39
    4.1.1 清水介质下导叶式螺旋离心泵的计算结果与流场分析  36-39
  4.2 导叶式螺旋离心泵在固液两相流工况下数值模拟结果与分析  39-47
    4.2.1 不同流量的模拟计算结果与流场分析  39-43
    4.2.2 固相体积分数不同的的模拟计算结果与流场分析  43-47
  4.3 导叶式螺旋离心泵的特性分析研究  47-49
    4.3.1 导叶式螺旋离心泵固液两相流动的流量扬程曲线  47
    4.3.2 不同流量不同浓度下导叶式螺旋离心泵轴向力径向力分析.  47-48
    4.3.3 导叶式螺旋离心泵固相浓度对扬程的的影响  48-49
    4.3.4 导叶式螺旋离心泵不同浓度的效率曲线  49
  4.4 导叶式螺旋离心泵与蜗壳式螺旋离心泵特性对比分析  49-58
    4.4.1 导叶式螺旋离心泵与蜗壳式螺旋离心泵内部压力对比分析  49-53
    4.4.2 导叶式螺旋离心泵与蜗壳式螺旋离心泵内部速度对比分析  53-54
    4.4.3 两种螺旋离心泵过流部件固相体积浓度分布对比分析  54-57
    4.4.4 两种螺旋离心泵特性曲线对比分析  57-58
  4.5 导叶式螺旋离心泵叶轮与导叶的磨损分析  58-64
    4.5.1 不同流量工况下导叶式螺旋离心泵叶轮与导叶的磨损分析  58-61
    4.5.2 不同固相浓度下导叶式螺旋离心泵叶轮与导叶的磨损分析  61-64
  4.6 本章小结  64-66
结论与展望  66-69
参考文献  69-74
致谢  74-75
攻读学位期间所发表的学术论文目录  75

导叶式螺旋离心泵内固液两相流动的数值计算与 分析

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