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旋流自吸泵设计及内部流动研究

王春林

  随着现代工业的迅速发展,对流体机械提出了越来越高的要求,需要流体机械具有高效率、低噪声、可靠的稳定性。泵作为一种应用广泛的流体机械也不例外,同样需要采用新的原理设计新的泵型,采用新的方法对泵的流动机理进行深入研究,以大幅度提高泵的性能。 本文在总结国内外离心泵和自吸泵最新理论研究成果的基础上,利用理论分析、泵内定常、非定常三维湍流场数值模拟和泵内流场PIV测量等手段对采用新原理设计的旋流自吸泵内部流动进行了深入研究。主要研究内容及创新性成果如下: 1、旋流自吸泵蜗壳与普通离心泵泵体相比,增加了导流壁、强制螺旋气液分离室和凸台等附加结构。根据特殊蜗壳结构分析了旋流自吸泵在启动过程中气体输送、气液混合、气泡流形成和气液分离过程中的气液两相流动。基于Tollmien平面平行射流理论,推导了叶轮出口气液两相流动方程。 2、在现有自吸泵的设计理论基础上,结合本文的研究成果,归纳出旋流自吸泵过流部件主要水力设计方法。 3、基于标准k-ε湍流模型,利用CFX商用软件对旋流自吸泵全流道定常液相三维不可压湍流场进行数值模拟;基于RNGκ-ε湍流模型和混合物模型,对泵内定常气液两相三维不可压湍流场进行数值模拟,从不同层面较全面地揭示了旋流自吸泵内部流动规律。 4、采用大涡模拟方法对旋流自吸泵全流道非定常三维湍流场进行数值模拟,得到了泵内部流场随时间变化情况;捕捉到了泵内许多重要的流动信息,如涡流、冲击、进口冲角偏移等现象,提高了对叶轮和泵内部流场规律的认识;并通过在泵流道内设置多个监测点,分析了泵内部的脉动情况。 5、建立预测模型,通过对旋流自吸泵蜗壳结构参数相关尺寸的正交优化设计,得到了泵体结构参数对旋流自吸泵性的能影响,通过综合分析,得到了突台高度ht、突台直径的d,、分离室高度hf和导流壁包角θ对性能影响的主次顺序,通过研究主次顺序关系,获到了最优的结构尺寸组合。 6、设计制作了满足PIV测试要求的模型泵,自行设计并搭建旋流自吸泵专用测试台。采用PIV技术对不同工况下旋流自吸泵全流道内部流动进行了测量,并自编程序对绝对速度场进行处理,得到相对速度分布。并与数值模拟的结果进行对比,PIV流场测试结果与CFX软件数值模拟结果基本一致。’ 本文通过对旋流自吸泵理论分析、内部流场数值模拟及PIV流场测试,初步掌握了旋流自吸泵内部流场分布;通过正交优化设计,了解了结构对性能的影响。丰富了旋流自吸泵理论,为旋流自吸泵流动规律进一步深入研究提供参考,为旋流自吸泵设计方法的优化提供了依据,具有一定的工程实用价值。……   
[关键词]:旋流自吸泵;设计方法;内部流场;数值模拟;大涡模拟;PIV测试
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:江苏大学2010年