旋流式無堵塞泵優(yōu)化設計與內(nèi)流場PIV試驗研究.pdf

1、旋流泵結構特殊，內(nèi)部流動十分復雜，由于其抗纏繞、無堵塞性能好，因此廣泛應用于工業(yè)漿料輸送、城市排污、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)養(yǎng)殖等領域，特別適合于漿料、泥漿的輸送。然而，目前旋流泵的效率普遍偏低，能耗較大，在輸送紙漿時，低效不僅浪費了水資源，帶來了環(huán)境污染，同時增加了紙漿輸送能耗。旋流泵葉輪為半開式，葉輪安裝在后泵腔，前泵腔為一個寬廣的無葉腔區(qū)，由于無堵塞性要求高，葉輪出口離蝸殼進口有一定的距離。因此，旋流泵運行時，葉輪前蓋板端面有直接流入流出的現(xiàn)象，

2、無葉腔內(nèi)同時包含著多種復雜的流動，導致旋流泵的水力損失較大，葉輪對介質(zhì)做功并沒有全部轉(zhuǎn)化為壓能，而是部分能量傳遞到無葉腔的貫通流和循環(huán)流中，這是導致旋流泵的效率和揚程低下的主要原因。
　　本文以型號為SCP200-400的原型泵為例，分析比轉(zhuǎn)數(shù)ns=166型旋流泵結構參數(shù)，基于正交優(yōu)化設計法、PCAD優(yōu)化設計軟件、CPF數(shù)值預測軟件、PIV粒子成像測速技術以及壓力脈動試驗等手段，通過多種方法剖析旋流泵內(nèi)部的流動特性，從而研究旋流泵

3、的內(nèi)部流動機理，研究的主要內(nèi)容和取得的創(chuàng)造性成果如下:
　　(1)以型號為SCP200-400的原型泵為例，結合其外特性，分析該型號旋流泵的結構特點，并基于CFD數(shù)值計算軟件，通過網(wǎng)格無關性分析與湍流模型分析，找出該泵的網(wǎng)格數(shù)和較好的湍流模型，為接下來的原型泵優(yōu)化設計提供基礎。
　　(2)分析原型泵試驗結果和結構參數(shù)，找出影響旋流泵性能的主要結構參數(shù)，初步確定葉輪外徑D2、葉片數(shù)Z、葉片寬度b、葉片出口安放角β2、葉片進口安

4、放角β1為主要結構參數(shù)。然后利用正交試驗法，對每個因素選取四個水平，選用L16(45)正交表，配置出十六種方案，采用PCAD水力設計軟件，設計出十六副葉輪水力模型圖，通過前述的CFD數(shù)值模擬方法，對十六種方案進行額定工況下的數(shù)值計算，應用正交分析法得出各因素對效率和揚程的影響規(guī)律，并分析單因素分別對效率和揚程的影響主次。為了更準確地找出影響旋流泵性能的主要結構參數(shù)，再次選取小范圍內(nèi)的因素和水平數(shù)，進行二次正交試驗，最終得出性能較優(yōu)的方案

5、。
　　(3)旋流泵在輸送紙漿、泥沙等介質(zhì)時，固相對主要過流部件產(chǎn)生磨蝕，特別是葉片表面的磨蝕比較嚴重，導致泵不穩(wěn)定性增加。然而在實際運行過程中，由于固相的存在，加上污水的透明度不高，很難通過實驗拍攝手段研究內(nèi)部流場的固相流動和分布情況。因此，通過數(shù)值計算預測軟件，在額定流量工況下，分別對三種不同粒徑即0.1mm、0.5mm及1.0mm，和三種不同的固相體積分數(shù)即1％、5％及10％的固液兩相流動進行數(shù)值計算，分析其對旋流泵內(nèi)部流動

6、的影響規(guī)律，研究固相對葉輪壁面的磨損情況。
　　(4)為了能更深層次地研究旋流泵的內(nèi)部流動機理，設計出三種不同葉輪參數(shù)的模型，加工成模型泵，進行外特性試驗，并與數(shù)值計算結果對比分析。基于PIV粒子成像測速技術，從內(nèi)部流場流動特性出發(fā)，探索性研究旋流泵內(nèi)部流動機理，分析無葉腔中復雜的流動模型。研究發(fā)現(xiàn)，葉片安放角較大時，葉片內(nèi)部更容易產(chǎn)生多種不同的漩渦;當葉片安放角減小后，流道變得較狹窄，葉片對液體的束縛力增強，在流量不變的情況下，

7、狹窄的流道貫流速度較大，葉片從工作面流入到背面的液體流速被抵消減弱，不容易形成漩渦流動。無葉腔中的相對流動速度是隨著流量的增大而增大的，反過來，我們發(fā)現(xiàn)無葉腔中的絕對流動，即循環(huán)流速隨著流量的增大而減小。無葉腔內(nèi)環(huán)面的循環(huán)流速明顯強于外環(huán)面的循環(huán)流速，且內(nèi)環(huán)面的貫通流為其主要的流動方式。
　　(5)為了從不同角度研究旋流泵內(nèi)部的流動狀態(tài)，在模型泵的蝸殼上進行鉆孔定位，分別通過試驗研究與數(shù)值預測兩種方式，研究流場非對稱性流動造成的蝸