螺旋離心泵內(nèi)能量轉(zhuǎn)換特性及設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、固體物料的水力輸送是固液兩相流典型的工程應(yīng)用，螺旋離心泵作為一類新型的雜質(zhì)泵，在輸送固液兩相流體時(shí)具有突出的優(yōu)越性，如高效、耐磨、抗堵塞等。其獨(dú)特的螺旋型葉輪在輸送固液兩相流介質(zhì)時(shí)的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律和非穩(wěn)態(tài)流體動(dòng)力學(xué)特性與傳統(tǒng)離心泵葉輪必然有較大不同。螺旋離心泵已有的研究成果主要集中在對(duì)設(shè)計(jì)方法、外特性及內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)方面的研究，而對(duì)螺旋離心泵內(nèi)能量轉(zhuǎn)換特性的研究相對(duì)比較少，尤其是對(duì)泵在輸送固液兩相流時(shí)葉輪和壓水室內(nèi)，不同區(qū)域能量傳遞、轉(zhuǎn)化和

2、耗散過程的研究更是缺乏。
　　本文通過試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，重點(diǎn)研究了螺旋離心泵內(nèi)沿葉輪螺旋流道及壓水室流向不同區(qū)域，在清水和固液兩相流介質(zhì)時(shí)能量轉(zhuǎn)換的能力與影響因素，揭示了在輸送清水和固液兩相流介質(zhì)時(shí)葉輪和螺旋型壓水室內(nèi)穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)能量的時(shí)空分布規(guī)律及轉(zhuǎn)換特性。并在此基礎(chǔ)上，提出了基于兩相流速比理論的葉輪型線方程和壓水室水力設(shè)計(jì)方法。本文主要研究?jī)?nèi)容分為3個(gè)部分:
　　1.螺旋離心泵在輸送清水介質(zhì)時(shí)葉輪和壓水室內(nèi)能量

3、轉(zhuǎn)換特性。
　　分別從穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩個(gè)方面研究了葉輪輸入功率、能量轉(zhuǎn)換效率和能量損失的特點(diǎn)，結(jié)果表明，葉輪對(duì)流體做功主要表現(xiàn)為壓力做功，而流體的粘性力做功只占較小的比重。給出了葉輪螺旋段、過渡段和離心段劃分方法和依據(jù)，發(fā)現(xiàn)葉輪螺旋段是葉輪對(duì)流體做功和流體獲得能量的關(guān)鍵區(qū)域。
　　葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，流道內(nèi)瞬時(shí)能量轉(zhuǎn)換和損失一直在發(fā)生變化，且具有周期性規(guī)律。葉片的不對(duì)稱及壓水室和葉輪動(dòng)靜干涉作用，引起葉輪輸入和輸出功率、葉輪表面壓力的

4、周期性變化，也造成壓水室內(nèi)動(dòng)靜壓能轉(zhuǎn)換的不穩(wěn)定。流量變化對(duì)于葉輪螺旋段能量轉(zhuǎn)換效率的影響要大于離心段，離心段對(duì)葉輪輸出功率的波動(dòng)特性起決定作用。
　　葉輪內(nèi)能量損失的主要形式是湍流耗散和壁面摩擦損失，小流量時(shí)以湍流耗散損失為主，大流量時(shí)以摩擦損失為主;湍流耗散損失的主要區(qū)域在葉輪出口，摩擦損失的主要區(qū)域在葉輪離心段。壓水室內(nèi)的能量損失主要是隔舌處的沖擊損失和湍流耗散損失，其值隨流量增加呈幾何倍數(shù)增長(zhǎng)。
　　2.螺旋離心泵在輸

5、送固液兩相流時(shí)泵內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)能量轉(zhuǎn)換特性。
　　采用歐拉（Eulerian）固液兩相流模型分別對(duì)固相濃度和粒徑變化對(duì)葉輪相對(duì)軸功率、截面湍流強(qiáng)度、效率、湍動(dòng)能耗散率、動(dòng)揚(yáng)程系數(shù)以及壓水室能量轉(zhuǎn)換特性的影響進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)數(shù)值分析。結(jié)果表明，固相濃度增加時(shí)，泵揚(yáng)程的平均值有所下降，但波動(dòng)幅度加大。隨粒徑和固相濃度增加，葉輪輸入相對(duì)軸功率波動(dòng)幅度加大，泵效率的下降幅度也明顯增加，但瞬時(shí)效率曲線的高效區(qū)范圍變化不大，其位置是由葉輪、壓水室形狀

6、和兩者的相對(duì)位置共同決定的，而與輸送介質(zhì)兒何物性參數(shù)的相關(guān)性不強(qiáng)。
　　葉輪效率和葉輪流道截面上湍流強(qiáng)度表現(xiàn)出較強(qiáng)的周期性變化規(guī)律。固相濃度對(duì)湍流強(qiáng)度的影響要大于粒徑變化的影響。隨著固相濃度、粒徑增加壓水室各截面湍流動(dòng)能耗散率均有增加的趨勢(shì)，變化最強(qiáng)烈的截面都是靠近隔舌和喉部位置。葉輪螺旋段流道的螺旋推進(jìn)作用使得顆粒直徑和液體流速變化導(dǎo)致的湍流耗散率的變化被降低，固相體積分?jǐn)?shù)和顆粒直徑的變化對(duì)葉輪湍動(dòng)能耗散的影響主要集中在離心段流