带有前置搅拌装置污水泵的水力优化及固液两相流场特性研究

摘要

污水泵广泛应用于环保、市政、矿山、石油、化工、钢铁工业以及污水处理等领域，与人们的日常生活密不可分。随着人们生活水平的日益提高及城市化进程的逐步加快，污水泵所输送的介质种类日渐增多，因此，污水泵对抗堵塞性、防缠绕性以及耐磨损性和可靠性的要求也越来越多。而污水泵叶片后掠的结构型式可通过叶片提前对入口流体介质进行做功，搅拌入口处流体介质中的纤维、颗粒等杂质，使其顺利进入蜗壳，这是常规叶片污水泵无法实现的;并且在泵进口安装的搅拌装置，实现了搅拌与抽送一体化，既环保又节能。
　　本文利用数值计算与试验研究相结合的方法，首先对后掠式双叶片污水泵进行优化设计并对其内部流场及磨损机理进行研究，其次，利用数值计算方法对带有前置搅拌装置的后掠式双叶片污水泵的搅拌流场和磨损特性进行分析。目的是提高污水泵的通过性能和抗堵塞性能，并为污水泵的优化设计提供理论依据，主要研究内容及取得的成果有:
　　(1)提出了前缘后掠式污水泵的设计方法，并在对国内外大量优秀污水泵水力模型分析的基础上，对原有的水力设计方法进行改进，进一步完善了污水泵的设计理论与方法。
　　(2)总结了叶轮主要几何参数的设计规定，按照正交试验设计出9组叶轮，通过CFD对其进行数值分析，研究出影响后掠式双叶片污水泵效率、扬程的主要因素，优化得出最优设计方案。
　　(3)基于Particle模型，采用SIMPLEC算法，并采用多重参考坐标系法对优化后的后掠式双叶片污水泵进行固液两相流数值模拟。其中液相采用标准k-ε双方程湍流模型，固体颗粒则采用离散相零方程模型。分析了不同固相体积分数、固体颗粒直径以及不同前缘后掠角时固相颗粒在污水泵内的分布情况，并在此基础上进一步探究污水泵的磨损机理，从而分析了该后掠式双叶片污水泵内部过流部件的磨损情况。
　　(4)对优化后的后掠式双叶片污水泵进行了试验研究，并将样机试验结果与数值模拟计算结果进行了对比分析，结果表明:在额定流量点处，优化设计方案效率为80％，高于国家标准规定值2.5个百分点，且从其外特性曲线图上可以看出，样机的高效区较宽，未出现驼峰，且高效点位于额定流量点附近。
　　(5)介绍了搅拌装置的应用并创造性地提出将其运用于后掠式双叶片污水泵领域，给出了所研究搅拌装置的几何尺寸，利用UG软件对其进行了三维造型，通过CFD数值模拟方法研究了在不同安装高度情况下，带有前置搅拌装置污水泵内部流场的特性及污水池内搅拌流场的特性。
　　(6)在上述带有搅拌装置污水泵数值分析的基础上，进一步探究了该型污水泵内部固相颗粒的分布情况，并与之前未安装搅拌装置时进行对比分析，得出安装有搅拌装置后该后掠式双叶片污水泵的颗粒分布特性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 高效污水泵的研究进展

1．2．2 高效污水泵固液两相流动研究进展

1．2．3 搅拌流场研究现状

1．2．4 国内外研究现状总结

1．3 主要研究内容

第二章 高效污水泵的水力设计

2．1 后掠式双叶片污水泵的水力设计

2．1．1 叶片泵设计方法概述

2．1．2 后掠式双叶片污水泵叶轮水力设计

2．2 叶片泵优化算法

2．2．1 试验优化设计法

2．2．2 速度系数法

2．2．3 损失极值法

2．2．4 反-正-反准则筛选法

2．2．5 三元流动计算及CAD优化设计

2．3 后掠式双叶片污水泵的优化设计

2．3．1 试验目的及因素确定

2．3．2 三维模型建立及数值计算过程

2．3．3 优化试验结果分析

2．4 本章小结

第三章 后掠式双叶片污水泵磨损特性分析及试验研究

3．1 后掠式双叶片污水泵的磨损理论分析

3．1．1 污水泵磨损的危害性分析

3．1．2 泵过流部件磨损的宏观形态分析

3．2 固体颗粒的两相流动方程

3．2．1 基于固液两相流体模型的后掠式双叶片泵固液流动控制方程

3．2．2 含固体颗粒的固液两相流间的相互作用力

3．3 后掠式双叶片污水泵固液两相流计算

3．4 后掠式双叶片污水泵固液两相流分布及磨损特性分析

3．4．1 粒径尺寸及固相体积浓度对泵内部流动及磨损规律的影响

3．4．2 后掠角对泵内部流动及磨损规律的影响

3．5 后掠式双叶片污水泵的试验研究及分析

3．6 本章小结

第四章 带有前置搅拌装置污水泵流场及磨损特性研究

4．1 搅拌装置及其流场特性分析

4．1．1 搅拌装置在污水泵中的应用

4．1．2 搅拌装置与污水池的选取

4．2 带有前置搅拌装置污水泵全流场固液两相流计算

4．2．1 几何参数及三维模型建立

4．2．2 固液两相流数值计算过程

4．3 外特性分析

4．4 水池内流体流场特性

4．4．1 旋涡现象

4．4．2 附壁效应

4．5 不同安装高度下搅拌流场分析

4．6 带有前置搅拌装置污水池内流场及磨损特性分析

4．6．1 叶轮进口速度分布规律

4．6．2 过流壁面处静压分布规律

4．6．3 过流壁面处固体颗粒体积分数分布规律

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 研究结果与总结

5．2 研究工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的相关科研成果