口环间隙流动对圆盘泵内外特性影响研究
作者单位：西华大学
学位级别：硕士
导师姓名：江启峰
授予年度：2021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]
摘 要：随着石油化工行业的发展,以及医疗、航天工业的进步,对泵送高粘度、高硬度、大颗粒、高含气率流体介质的能力提出了新的挑战。本文所研究的圆盘泵是一种离心式泵类,能够克服离心泵输送这些特殊流体介质的固有局限,因此圆盘泵在一些特殊流体介质难以输送的领域引起人们的关注。圆盘泵的内部流动对其性能具有直接影响,同时对分析其流动特性和机理也具有直接的指导意义。现有圆盘泵的研究中,大多忽略了口环间隙泄露流的影响,而口环间隙造成的泄漏流与叶轮进口主流之间会产生相互作用和干扰,对圆盘泵的进口及内部流动情况、水力性能及叶轮载荷的分布均有一定影响。本文通过试验测试与数值计算相结合的研究路线,以圆盘泵口环间隙泄漏流为研究对象,在不同流量和不同口环间隙下,分析了圆盘泵口环泄漏流对叶轮进口和内部流动以及外特性的影响。主要研究内容和成果如下:(1)搭建了圆盘泵性能测试试验台。通过压力传感器、扭矩仪和数据采集卡等对圆盘泵的对圆盘泵进、出口压力,流量以及轴功率等相关参数进行了采集,并利用理论公式计算圆盘泵性能曲线。通过分析发现当流量大于78 m3/h时,试验扬程值开始发生突变式的下降,这是由于圆盘泵叶轮内发生了空化而引起的。(2)通过数值计算方法研究了网格数对圆盘泵计算精度的影响。结果表明网格数为416万时,满足计算要求。针对圆盘泵叶轮的特殊结构,为了解决圆盘泵叶轮中不同流体域之间动静计算的问题,提出了叶轮内无链接柱A方案、叶轮内链接柱不旋转B方案和叶轮内链接柱旋转C方案,将三种计算方案的数值计算结果与试验结果进行对比,发现A方案的误差最小为4%。C方案的误差最大为16%,因此选择A方案作为本文数值模拟方案。探讨了不同湍流模型对圆盘泵内部流场及外特性的影响,通过定量和定性的分析,发现SSTk-ω和k-ε湍流模型均可适用于圆盘泵的数值计算,因此选择SST k-ω湍流模型为本文数值计算方案。(3)研究间隙流动对圆盘泵内部流场和外特性的影响,揭示了口环和泵腔间隙流动造成的能量损失是引起圆盘泵全流道与非全流道模型内部流场和外特差异的主要原因。分析了口环泄漏流与叶轮进口前主流之间的相互作用规律,阐述了间隙流动对叶轮内漩涡演变的影响。最后发现间隙流动会降低蜗壳及叶轮出口压力分布,且对局部蜗壳内部压力脉动的强度具有一定的影响。(4)开展不同流量工况下圆盘泵内数值计算,研究泵内主流流动特性和间隙流动,评估口环泄漏流对主流的影响。发现在靠近吸力面的无叶区中存在低压区域,且该区域范围随着流量的增大而逐渐的增大,受压力分布不均匀的影响,流体向低压区域流动。通过研究间隙流动,揭示了前腔内压力及压力脉动规律,发现泵腔内压力及压力脉动均随着流量的增大而逐渐减小。获得了口环间隙内湍动能和压强的分布,发现大流量工况下,口环间隙流动造成的能量损耗较小。不同流量下,泄漏流与叶轮进口前主流相互作用,生成的漩涡随着流量的增大而逐渐减小。进一步对比分析了口环间隙泄漏流对进口延长段内速度分布的影响,发现泄漏流在一定程度上可以抑制叶轮进口流体回流以及漩涡现象的产生。(5)研究了口环间隙宽度对圆盘泵内部流场及外特性的影响,发现口环间隙的增大对圆盘泵的外特性影响较小。分析了叶轮内流体径向速度在不同口环间隙下因受蜗壳上压力的不同而产生差异性的原因,发现了叶轮靠近隔舌区域的流道,其流体的回流面积随口环间隙的增大而减小。研究了不同口环间隙内总压的分布,发现了口环进出口之间的总压降受口环间隙宽度影响较小。最后探讨了口环间隙的大小对叶轮进口前漩涡的影响,发现随着口环间隙的增加,叶轮进口前漩涡的自身尺度以及对主流的影响范围逐渐变大。
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