WFB型立式自吸泵叶轮对自吸性能影响的研究

作     者：陆梦雅 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘建瑞;朱兴业

授予年度：2020年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：立式自吸泵 叶轮参数 自吸性能 气液两相流 数值模拟 

摘      要：自吸泵作为一种特殊的离心泵,具有适应性强、使用方便等特点,广泛应用于农田灌溉、矿山排水等领域。自吸泵的自吸过程是一个极为复杂的气液两相流动过程:输入液体、气液混合、气液分离、气体排出、稳定输水等多个过程。影响自吸泵性能的因素为:叶轮外径、叶轮出口宽度、叶轮型式以及储液室容积等。目前我国对自吸泵的设计还处于半经验半理论阶段,对自吸泵内部机理研究较少,因此研究其内部机理具有很有高的学术价值与实用意义。本文以WFB型立式自吸泵为研究对象,对其叶轮进行优化设计,并进行试验与数值模拟,研究叶轮型式以及叶轮出口宽度对自吸泵的水力性能以及自吸性能的影响。其主要研究内容如下:（1）以100WFB-B2型号的立式自吸泵为研究对象,设计了三种叶轮分别为:半开式叶轮、闭式叶轮、叶轮出口宽度大小不同的闭式叶轮,通过试验及数值模拟得到了三种不同叶轮对自吸泵水力性能、自吸性能的影响。（2）对三种不同叶轮的模型泵进行外特性试验,改变泵的进口流量,得到不同流量工况下的扬程与效率等参数,并将得到的扬程、流量、效率等外特性曲线进行对比分析,结果表明:同参数的闭式叶轮效率要比半开式叶轮高8%-10%;减小叶轮出口宽度,泵的效率会下降。（3）对三种不同叶轮的模型泵内部流动进行单相流定常数值模拟,得到不同流量工况下的扬程,并将数值模拟结果与外特性试验得到的扬程相对比,发现模拟结果三种模型最大误差值为6.1%,证明其模拟的相对可靠,并从泵腔内部压力以及速度分布云图、叶轮内部分布云图以及速度流线分析叶轮型式以及叶轮出口宽度对泵性能的影响,结果表明:叶轮结构对泵腔内部压力分布影响较大、对泵腔内部的速度分布影响较小,且叶轮结构对自吸泵的水力性能的影响要大于叶轮出口宽度对自吸泵水力性能的影响。（4）采用CFX软件提供的MIXTURE混合模型对三种装配有不同叶轮的自吸泵的自吸过程进行了非稳态气液两相数值模拟,并对主要过流部件的进出口如:叶轮进出口、蜗壳出口、出水管出口等含气率进行监测,获得其自吸过程中含气率随时间变化曲线,并根据出口含气率变化状态判断其自吸完成的时间。泵腔内部的气液两相分布云图充分展示了自吸过程中泵腔内部的气液两相流动情况,根据气液两相运动规律可以将自吸分为:自吸初期、自吸中期以及自吸末期,其中叶轮对自吸过程起到影响的主要是自吸中期。结果表明叶轮形式的改变对自吸过程中的气液混合、分离速度影响较小,改变叶轮出口宽度对自吸过程中的气液混合、分离速度影响较大。对比主要过流监测面的含气率变化曲线,发现半开式叶轮进气量要高于闭式叶轮,适当减小叶轮出口宽度,叶轮进口最大含气率会增加;叶轮出口宽度增大时,气液混合分离面积增大,叶轮气液分离效果最好;从整体出口含气率变化曲线来看,闭式叶轮与半开式叶轮区别较小,减小叶轮出口宽度,出口含气率变化较为平缓,自吸时间较长。从自吸性能来看,叶轮出口宽度变化带来的影响要远大于叶轮型式的改变。