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固液两相下导叶式离心泵动静叶栅内部流动研究

陈昊  
【摘要】:泵在国民生产的很多领域都起着广泛的作用,应用于水利、矿山、化工、电力、土建、环保等工业部门。在与泵相关领域的研究中,关于泵的稳定性以及节能降噪的研究是重中之重。动静叶栅是多级泵等高能流体机械做功、扩压和导流的基本单元,受叶轮出口“射流-尾迹”流动、动叶与静叶之间的动静干涉作用的双重影响,其内部涡流结构很复杂。随着多级泵向高扬程、宽工况域的方向发展,对其内部涡激产生的振动、噪音等流体动力学响应也提出了更高的要求。而在含沙水条件下和在偏工况点运行会导致整个系统出现更高的负载和更大的运行成本,因此探究在固液两相条件下离心泵在非设计工况下的流动问题,可以为提高流体机械运行的稳定性以及高效性研究提供一定参考。本文以大涡模拟和Mixture混合相模型,采用二维数值计算和三维数值计算相结合的方法。选择设计流量为22.85m3/h的带导叶的离心泵为计算模型,对不同流量下离心泵进行性能计算,得到离心泵性能特性曲线,并以此为基础,对不同工况与颗粒粒径的动静叶栅内部非定常流动的情况结合动静干涉作用和固液两相流动,并以涡量做为参考结合流线以及压力脉动来描述水力机械内部流动过程。论文的主要工作和结论如下:1)以商用建模软件Pro/E为工具对导叶式离心泵进行建模,选用专业C AE前处理软件ANSYS ICEM对导叶式离心泵全流道计算域进行拓扑并划分为结构化网格;定义了导叶式离心泵数值计算的一些基本参数;选用有限体积法离散流动控制方程,并对以ANSYS Fluent进行数值计算的一些控制条件进行了描述。2)通过二维、三维数值计算,发现二维、三维涡量集中区域分布相似,清水介质下,二维数值计算结果可以作为三维数值计算结果的一个参照,可以借助二维数值计算结果找出流场流动最为紊乱的地方,然后通过修正三维计算域网格,更加真实的反映出流场的内部流动情况。二维导叶式离心泵数值模拟结果与三维数值模拟结果在总体上相似,颗粒分布都主要集中在叶轮叶片工作面,大涡量区域主要集中在叶轮叶片背面,在动静叶栅交界处流动最不稳定。但二维数值计算结果相比三维数值计算结果更加不稳定,受到模型的影响,二维数值计算内涡量分布和颗粒相分布出现更加无序的现象,且在细微的地方会出现与三维数值计算结果较大的不同。3)通过对导叶式离心泵动静叶栅内非设计工况下内部流动分析发现,在设计工况下动静叶栅内部压力脉动周期性最好,脉动最有规律,在1.0Q流量下压力系数Cp分布域最窄,在1.3Q流量下压力系数Cp分布域最宽。对比在不同流量与不同转速情况下动静叶栅内压力脉动分布,发现在750rpm转速下压力脉动最不稳定,相比于不同流量下压力脉动分布,低转速情况下压力脉动剧烈程度要强于小流量情况下压力脉动剧烈程度。在偏离设计工况与转速下,动静叶栅内部流动出现了不同程度的恶化,尤其在偏离设计转速情况下,动静叶栅内流动最不稳定;此外由于动静干涉的作用,动静叶栅交界处出现流动激增的现象;导叶的作用主要是为了使叶轮内的流体更加平稳的流入蜗壳,因此在设计工况与设计转速下导叶内的流动情况要优于在叶轮内;但在偏离设计工况与转速时,导叶无法完全发挥其引流作用,因此在偏工况下尤其在高转速条件下部分导叶内流动要比叶轮内的流动更加紊乱。在偏离工况条件下,尤其是在在高转速条件下,动静叶栅内大涡量区域明显高于在其他转速条件下涡量区域,尤其在动静叶栅交界处最为明显。在同一转速不同流量条件下,小流量条件下动静叶栅内大涡量区域明显高于在其他流量情况下。4)通过分析动静叶栅内压力分布、涡量分布、颗粒相体积分数以及动静叶栅内压力脉动,发现颗粒粒径对动静叶栅内流动尤其是导叶内的流动产生了很大的影响。针对不同颗粒粒径固液两相流流动对导叶与叶轮进行结构优化,有助于提高导叶式离心泵的效率。


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