后掠式軸流泵固液兩相流特性與試驗(yàn)研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，城市污水處理用泵的需求量每年均在增加，污水軸流泵作為污水處理用泵的一種類(lèi)型也具有較大的需求量，目前軸流泵中絕大多數(shù)的葉輪設(shè)計(jì)都是以清水介質(zhì)為前提的，這樣的設(shè)計(jì)會(huì)使泵在實(shí)際工作中，葉輪部件磨損嚴(yán)重，葉輪上容易纏繞異物并引起流道堵塞等問(wèn)題。因此為了適應(yīng)實(shí)際輸送污水介質(zhì)的要求，現(xiàn)有的軸流泵葉輪需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和修改。
　　本文是在國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“高效環(huán)保用泵關(guān)鍵技術(shù)研究及工程應(yīng)用（項(xiàng)目編號(hào)2011BAF14

2、B01）”等的資助下完成的。本文采用南水北調(diào)工程中編號(hào)為T(mén)J04-ZL-02軸流泵葉片的同比例縮放模型為原型葉片，研究分析了葉片后掠和后掠角度對(duì)葉輪內(nèi)固液兩相流的影響，應(yīng)用PIV試驗(yàn)技術(shù)對(duì)葉輪內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并且使用高速攝影技術(shù)對(duì)棉線在葉輪內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了后掠葉輪具有良好的防纏繞性能，主要的研究成果和結(jié)論如下:
　　(1)在只改變?nèi)~片進(jìn)口邊后掠角度而其他因素都不改變的條件下，本文設(shè)計(jì)了后掠式葉輪結(jié)構(gòu)，并使用CF

3、X有限元分析軟件分別對(duì)原型葉片和后掠角度為40°、65°、90°后掠葉片的軸流泵流道進(jìn)行了全流場(chǎng)固液兩相流數(shù)值模擬。數(shù)值模擬結(jié)果表明:葉片后掠角度越大，葉片壓力面上固相體積分?jǐn)?shù)越小;葉片后掠角度越大并且葉輪流場(chǎng)內(nèi)固相的徑向流動(dòng)越明顯，固相顆粒就越難撞擊到葉片壓力面上，反之固相顆粒則越易撞擊到葉片吸力面上;顆粒直徑越大，后掠葉片壓力面上固相體積分?jǐn)?shù)越大，而葉片吸力面進(jìn)口邊靠近輪轂處的固相體積分?jǐn)?shù)增加;顆粒初始體積分?jǐn)?shù)越大，后掠葉片壓力面上

4、固相體積分?jǐn)?shù)減少，葉片吸力面上固相體積分?jǐn)?shù)增加。葉片后掠可大幅降低葉片壓力面的磨損，提高了軸流式葉輪在污水介質(zhì)中的使用壽命和運(yùn)行可靠性。但同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隨著葉片后掠角度的增加，泵的揚(yáng)程和效率都隨之降低。
　　(2)在相同工況點(diǎn)的條件下，設(shè)計(jì)了40°和60°后掠葉輪，這兩個(gè)葉輪的揚(yáng)程曲線和效率曲線基本相同，效率較高，其設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的效率能夠達(dá)到79％左右，但是因?yàn)槠鋼P(yáng)程出現(xiàn)駝峰區(qū)域，所以導(dǎo)致后掠葉輪的高效區(qū)范圍并不大。60°后掠葉片上

5、的固相體積分?jǐn)?shù)要小于40°后掠葉片上的固相體積分?jǐn)?shù)，但是并不是十分明顯，同時(shí)都優(yōu)于原型葉片。隨著顆粒直徑的增加，60°后掠葉片上的固相體積分?jǐn)?shù)隨之增加，并且葉片壓力面上固相的徑向流動(dòng)趨勢(shì)越明顯而軸向流動(dòng)趨勢(shì)越不明顯，徑向流動(dòng)越明顯則葉片壓力面上固相體積分?jǐn)?shù)應(yīng)該隨之減少，而軸向流動(dòng)趨勢(shì)越不明顯則葉片壓力面上固相體積分?jǐn)?shù)應(yīng)該隨之增多，所以在顆粒直徑增加的情況下，顆粒的軸向流動(dòng)趨勢(shì)是后掠葉片壓力面上固相體積分?jǐn)?shù)的主要因素。葉片吸力面上，在靠進(jìn)

6、口邊輪轂附近區(qū)域，顆粒的軸向運(yùn)動(dòng)和徑向運(yùn)動(dòng)都很顯著，所以此處的固相體積分?jǐn)?shù)也較大。隨著顆粒濃度的增加，60°后掠葉片上的固相體積分?jǐn)?shù)隨之增加，葉片壓力面上固相的徑向流動(dòng)越不明顯，而固相的軸向流動(dòng)越明顯，軸向流動(dòng)明顯會(huì)使得葉片壓力面上固相的體積分?jǐn)?shù)減少，所以后掠葉片上固相體積分?jǐn)?shù)增加的幅度明顯小于顆粒濃度增加的幅度，顆粒濃度越大，顆粒濃度對(duì)后掠葉片壓力面上固相體積分?jǐn)?shù)的影響越小。
　　(3)通過(guò)PIV測(cè)試手段，分別分析了在0.8Qo

7、pt，1.0Qopt，1.2Qopt三個(gè)工況下，40°和60°后掠葉輪在一個(gè)流道周期的12個(gè)拍攝端面上的速度場(chǎng)。在0.8Qopt的小工況下，后掠葉片作用后的流體具有明顯的徑向流動(dòng)趨勢(shì)，流量越小徑向流動(dòng)趨勢(shì)越明顯，并且在相同工況點(diǎn)下，隨著后掠角度的增加，徑向流動(dòng)趨勢(shì)越明顯。后掠葉片葉輪內(nèi)的流體在葉片進(jìn)口邊區(qū)域和轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁面容易出現(xiàn)低速區(qū)域，并且流量越小低速區(qū)域越大，在靠近輪緣附近，葉片進(jìn)口邊附近壓力面上流體會(huì)向吸力面流動(dòng)，流量越小該現(xiàn)象越

8、明顯。40°后掠角葉輪和60°后掠角葉輪內(nèi)流體流動(dòng)的現(xiàn)象較為相似，葉輪內(nèi)低速區(qū)域的位置和流體從葉片壓力面向吸力面運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象也都基本相同。在小流量工況下，進(jìn)口邊靠近輪緣區(qū)域的液體會(huì)發(fā)生回流現(xiàn)象從葉片壓力面向吸力面運(yùn)動(dòng)，這是因?yàn)槿~片后掠，致使流體在進(jìn)入后掠葉片時(shí)，會(huì)有一定的徑向速度，而在小流量工況下，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁面附近流體的軸向速度較小，出現(xiàn)低速區(qū)域，而徑向流動(dòng)明顯，所以流體在軸截面上的軸面速度與軸向夾角大于葉片進(jìn)口邊的軸面投影圖和軸向的夾角

9、時(shí)，流體就會(huì)從葉片壓力面向吸力面流動(dòng)，隨著流量的增大，葉輪內(nèi)流體的軸向速度也會(huì)增加且徑向流動(dòng)趨勢(shì)減小，所以該現(xiàn)象得到減弱直至消失。
　　(4)通過(guò)高速攝影的手段研究了單個(gè)棉線在60°后掠葉輪內(nèi)的流動(dòng)情況。對(duì)于單個(gè)棉線，后掠葉輪內(nèi)棉線不同的位置和葉片進(jìn)口邊接觸會(huì)有不一樣的流動(dòng)情況，當(dāng)棉線的前端受到葉片進(jìn)口邊的作用時(shí)，隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)棉線的后端部分會(huì)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，而棉線前端則沒(méi)有變化，這使得棉線懸掛在進(jìn)口邊上，葉輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，棉線后端部分

10、繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)并最終帶動(dòng)棉線前端脫離葉片進(jìn)口邊，最后以螺旋狀的運(yùn)動(dòng)形式遠(yuǎn)離葉輪。當(dāng)棉線的后端受到葉片進(jìn)口邊的作用時(shí)，棉線容易懸掛在進(jìn)口邊上，并且隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)棉線會(huì)沿著進(jìn)口邊向輪緣處移動(dòng)，并最終脫離進(jìn)口邊。葉輪轉(zhuǎn)速越快，懸掛在葉輪進(jìn)口邊上的棉線沿著進(jìn)口邊向輪緣處移動(dòng)的速度會(huì)更快。為了使纏繞試驗(yàn)更加符合軸流泵內(nèi)的運(yùn)行情況，將葉輪套上套筒并將大量棉線加入容器中，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)容器內(nèi)棉線濃度較低時(shí)，棉線能很好的通過(guò)葉輪，并且葉片進(jìn)口邊