蝶形凸轮转子泵内固液两相流动数值分析及转子型线优化

摘要

蝶形凸轮转子泵是为适应矿浆行业矿浆研磨液输送需求而研制的一款新型转子泵，由于其转子采用新型蝶形结构，其水力性能尚不明确，本文应用Fluent软件动网格技术、RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法对双叶蝶形凸轮转子泵的内部流场进行非定常数值模拟并对数值模拟结果进行分析，获得凸轮转子泵的内部流动基理，为后期进一步开展蝶形凸轮转子泵研究提供参考，本论文开展的主要工作和取得的成果如下： （1）以双叶蝶形凸轮转子为研究对象，应用复极坐标函数法，建立两转子动静坐标系，根据转子啮合定理求得双叶蝶形凸轮转子型线方程。 （2）根据绘制的转子型线，建立了转子泵的模型，由数值模拟结果分析可知转子泵模型由于困液腔的存在造成泵内局部高压。泵内局部高压导致转子泵转子的受力不均，引起转子泵振动与噪声，影响转子泵的使用寿命，增大转轴的扭矩脉动，降低电机的效率；转子泵出口流量脉动，引起管路及其附属元件振动、噪声，损坏管路；故通过研究蝶形凸轮转子泵转子型线、转子间间隙、转速、进出口压差对转子泵出口流量脉动及转子受力的影响，获得不同变量条件下转子所受径向力、转子转轴的扭矩及转子泵的容积效率。 （3）本文采用单一变量法对转子泵进行研究，研究结果表明随转子尖点圆角半径增大，泵内困液腔压力降低，转子径向受力脉动振幅和转轴扭矩脉动振幅降低，泵容积效率先增加后降低，泵出口流量脉动两相邻波峰大小变化趋势相反，而本文所研究模型泵在转子尖点圆角半径为2～3mm时出口流量特性最优；随转子间隙增大，泵内困液腔压力降低，转子径向受力脉动振幅和转轴扭矩脉动振幅降低，但泵容积效率急剧降低，泵运行效率降低，在确保满足需求条件下，应选取较小间隙值；随着转速的增大，困液腔压力增大，泵出口流量脉动振幅增大，泵容积效率升高；当泵进出口压差增加时，困液腔压力增大，泵出口流量脉动振幅降低，泵容积效率降低。 （4）为研究不同颗粒对转子泵腔壁面及转子的磨损特性，选用Mixture混合模型对转子泵进行了全流场二维模拟计算，对比分析了额定工况下，输送固相介质体积分数为3%，粒径为0.3mm时不同时刻转子泵对称截面固相速度及固相体积分布云图和速度矢量图，并根据Finnie切削模型定性研究了蝶形凸轮转子泵内局部磨损强度，研究表明颗粒对转子尖点有严重的切削磨损，其次为泵腔壁面，而吸入腔转子壁面主要受颗粒冲击磨损。入口管内磨损并不显著，出口管壁面存在一定强度的局部磨损。在取固相体积分数为3%，固相粒径分别取0.1mm、0.2mm、0.3mm和0.4mm条件下，和在取固相粒径为0.3mm，固相体积分数分别取1%、3%、5%和10%条件下，固相体积分数及粒径增大时，泵内磨损分布区域无明显变化，而磨损强度增大，泵外特性无显著变化。

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附表索引

第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2凸轮转子泵国内外研究进展

1.3.1蝶形凸轮转子泵结构

1.3.2蝶形转子泵的工作原理

1.3.3蝶形凸轮转子泵工作特点

1.4本文研究内容及创新点

1.5本章小结

第2章 蝶形转子型线求解

2.1.1坐标系的建立

2.1.2坐标变换

2.2 蝶形转子型线组成及其基本参数

2.3.1 Matlab简介

2.3.2 Matlab编程绘制转子型线

2.3.3 Matlab编程输出ibl.格式文件

2.3.4 ibl.格式文件的修改

2.4转子型线的参数化建模与转子的运动仿真

2.4.1 Creo软件简介

2.4.2 生成转子型线及设计泵外壳

2.4.3 转子泵转子的运动仿真

2.5本章小结

第3章 蝶形凸轮转子泵网格划分与数值模拟

3.1.1 蝶形凸轮转子泵三维水体造型

3.1.2凸轮转子泵二维水体造型

3.2.1 ICEM软件简介

3.2.2 蝶形凸轮转子泵网格划分

3.3蝶形凸轮转子泵CFD数值模拟

3.3.1计算流体动力学理论基础

3.3.2基于Fluent软件的蝶形凸轮转子泵仿真参数设定

3.4本章小结

第4章 蝶形凸轮泵转子径向激励力数值预测及型线优化

4.1模型泵数值模拟结果分析

4.1.1蝶形凸轮转子泵内压力特性分析

4.1.2蝶形凸轮转子泵转子径向受力分析

4.1.3蝶形凸轮转子泵转轴扭矩分析

4.1.4蝶形凸轮转子泵介质流动特性分析

4.2.1蝶形凸轮转子泵内压力特性分析

4.2.2蝶形凸轮转子泵转子径向受力和转轴扭矩分析

4.2.3蝶形凸轮转子泵容积效率分析

4.2.4蝶形凸轮转子泵出口流量脉动特性分析

4.3.1蝶形凸轮转子泵内压力特性分析

4.3.2蝶形凸轮转子泵转子径向受力和转轴扭矩分析

4.3.3蝶形凸轮转子泵容积效率分析

4.3.4蝶形凸轮转子泵出口流量脉动特性分析

4.4本章小结

第5章 蝶形凸轮转子泵内固液两相湍流分析研究

5.1固液两相流动基本理论

5.1.1计算模型的选取及多相流相的定义

5.1.2固液两相流动控制方程

5.1.3 材料冲蚀磨损方程

5.2额定工况下不同时刻泵内壁面磨损特性分析

5.3颗粒直径不同时泵内壁面磨损及外特性

5.3.1颗粒直径对泵内壁面磨损的影响

5.3.2固相粒径对泵外特性的影响

5.4固相体积分数不同时泵内壁面磨损及外特性

5.4.1固相体积分数对泵内壁面磨损的影响

5.4.2固相体积分数对泵外特性的影响

5.5本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 不足与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录