旋流式無堵塞泵優(yōu)化設(shè)計(jì)與內(nèi)流場PIV試驗(yàn)研究.pdf

1、旋流泵結(jié)構(gòu)特殊，內(nèi)部流動(dòng)十分復(fù)雜，由于其抗纏繞、無堵塞性能好，因此廣泛應(yīng)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(lǐng)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(shí)，低效不僅浪費(fèi)了水資源，帶來了環(huán)境污染，同時(shí)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(gè)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(jìn)口有一定的距離。因此，旋流泵運(yùn)行時(shí)，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(shí)包含著多種復(fù)雜的流動(dòng)，導(dǎo)致旋流泵的水力損失較大，葉輪對(duì)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(dǎo)致旋流泵的效率和揚(yáng)程低下的主要原因。
　　本文以型號(hào)為SCP200-400的原型泵為例，分析比轉(zhuǎn)數(shù)ns=166型旋流泵結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于正交優(yōu)化設(shè)計(jì)法、PCAD優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件、CPF數(shù)值預(yù)測軟件、PIV粒子成像測速技術(shù)以及壓力脈動(dòng)試驗(yàn)等手段，通過多種方法剖析旋流泵內(nèi)部的流動(dòng)特性，從而研究旋流泵

3、的內(nèi)部流動(dòng)機(jī)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(hào)為SCP200-400的原型泵為例，結(jié)合其外特性，分析該型號(hào)旋流泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并基于CFD數(shù)值計(jì)算軟件，通過網(wǎng)格無關(guān)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(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。
　　(2)分析原型泵試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)構(gòu)參數(shù)，找出影響旋流泵性能的主要結(jié)構(gòu)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(jìn)口安

4、放角β1為主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。然后利用正交試驗(yàn)法，對(duì)每個(gè)因素選取四個(gè)水平，選用L16(45)正交表，配置出十六種方案，采用PCAD水力設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)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(duì)十六種方案進(jìn)行額定工況下的數(shù)值計(jì)算，應(yīng)用正交分析法得出各因素對(duì)效率和揚(yáng)程的影響規(guī)律，并分析單因素分別對(duì)效率和揚(yáng)程的影響主次。為了更準(zhǔn)確地找出影響旋流泵性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，再次選取小范圍內(nèi)的因素和水平數(shù)，進(jìn)行二次正交試驗(yàn)，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(shí)，固相對(duì)主要過流部件產(chǎn)生磨蝕，特別是葉片表面的磨蝕比較嚴(yán)重，導(dǎo)致泵不穩(wěn)定性增加。然而在實(shí)際運(yùn)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(shí)驗(yàn)拍攝手段研究內(nèi)部流場的固相流動(dòng)和分布情況。因此，通過數(shù)值計(jì)算預(yù)測軟件，在額定流量工況下，分別對(duì)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?jǐn)?shù)即1％、5％及10％的固液兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析其對(duì)旋流泵內(nèi)部流動(dòng)

6、的影響規(guī)律，研究固相對(duì)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(dòng)機(jī)理，設(shè)計(jì)出三種不同葉輪參數(shù)的模型，加工成模型泵，進(jìn)行外特性試驗(yàn)，并與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析?；赑IV粒子成像測速技術(shù)，從內(nèi)部流場流動(dòng)特性出發(fā)，探索性研究旋流泵內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理，分析無葉腔中復(fù)雜的流動(dòng)模型。研究發(fā)現(xiàn)，葉片安放角較大時(shí)，葉片內(nèi)部更容易產(chǎn)生多種不同的漩渦;當(dāng)葉片安放角減小后，流道變得較狹窄，葉片對(duì)液體的束縛力增強(qiáng)，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(dòng)。無葉腔中的相對(duì)流動(dòng)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(duì)流動(dòng)，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(qiáng)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(dòng)方式。
　　(5)為了從不同角度研究旋流泵內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)，在模型泵的蝸殼上進(jìn)行鉆孔定位，分別通過試驗(yàn)研究與數(shù)值預(yù)測兩種方式，研究流場非對(duì)稱性流動(dòng)造成的蝸