發(fā)布時間：2020-05-18 09:22

【摘要】：迷宮螺旋泵是一種極小流量、高揚程、結構極其簡單的極低比轉數(shù)旋轉泵,是石油、化工、水處理等行業(yè)急需的特種泵。但其泵送機理至今仍不十分清楚,對泵送性能的認識也僅停留在初級試驗階段,泵的設計和使用是基于大量的未經理論分析和整理的試驗數(shù)據(jù),因而存在很多不確定性因素,極大限制了迷宮螺旋泵的推廣應用。 基于上述原因,本文采用FLUENT流體計算軟件中SST k-ω湍流模型對多重坐標中迷宮螺旋體轉子、定子螺槽流體流動進行了數(shù)值模擬,利用CFD數(shù)值模擬結果和二維湍流方程以及普朗特混合長度理論對流體流動、泵送機理和泵送性能進行了定性和定量分析,優(yōu)化了三角形螺紋形狀及幾何參數(shù),對泵送性能進行了相似換算。最后,試驗驗證了迷宮螺旋泵在不同因素作用下的泵送性能變化趨勢。 CFD數(shù)值模擬迷宮螺旋體流場表明:泵內壓力沿軸向線性分布。泵轉子、定子名義間隙分界面上,同時存在強烈向心流動和離心流動,二者速度隨壓力升高而增大;轉子螺槽和定子螺槽流體切向速度方向相反,大小隨壓力升高增大,導致在轉子定子間隙形成強剪切區(qū);定子螺槽“泄漏”流與轉子螺槽泵送方向流動方向相反,“泄漏”流隨壓力升高而增強,而轉子螺槽驅動流動隨壓力升高而減弱。在此基礎上,結合泵性能試驗研究,提出:迷宮螺旋泵的泵送壓力是流體在軸向流動中通過蜂窩體反復加壓獲得的,泵轉子、定子間隙流體之間強烈的湍流剪切力是蜂窩體流體進行動量和能量交換的根本動力。推導出了迷宮螺旋泵泵送性能的經驗表達式,定義了表征蜂窩體水力性能的蜂窩體揚程系數(shù)K_f和表征相同尺寸泵揚程相對高低的泵總揚程系數(shù)K_b兩個新概念。 將迷宮螺旋泵內流體流動看作轉子螺紋對流體的拖動流和泵兩端壓差作用下壓力流的線性疊加,結合二維湍流理論和CFD數(shù)值模擬,建立了不同于Bilgen流場速度分布的迷宮螺旋泵的流場模型。其中切向壓力流是關于y軸的奇函數(shù),軸向拖動流在轉子螺槽類似拋物線分布,將速度沿螺槽深度積分得到泵流量揚程關系式。 基于迷宮螺旋體內流體流動和其泵送機理,提出泵功率主要由轉子驅動流體功率、螺紋壁面摩擦損失、蜂窩體湍流摩擦損失、動能和機械摩擦損失組成,泵效率由容積效率、水力效率和機械摩擦效率組成。對迷宮螺旋泵試驗性能分析發(fā)現(xiàn):泵轉子、定子間隙增大,泵水力效率明顯下降,而容積效率基本不變。 利用CFD數(shù)值模擬和Golubiev試驗數(shù)據(jù),以蜂窩體揚程系數(shù)K_f最大為優(yōu)化目標,優(yōu)化出了三角形螺紋最佳相對槽深h/t、最佳牙型角和螺紋導程范圍�；诼菁y幾何參數(shù)與泵性能的理論方程,擬合出了K_f與螺紋幾何參數(shù)s_D/h、h/t和tga的定量關系式,定性分析了流體離心力對K_f的影響。結果表明:螺紋導程減小,蜂窩體揚程系數(shù)降低,但泵總揚程系數(shù)升高;蜂窩體揚程系數(shù)隨轉子、定子之間相對直徑間隙增大而降低,降低程度與螺紋形狀有關;蜂窩體揚程系數(shù)在相對螺槽深度變化很寬的范圍內隨相對螺槽深度增加而降低;離心力增大,蜂窩體揚程系數(shù)先是增大,而后又降低。 基于流體流動相似原理和泵送機理,推導出了迷宮螺旋泵在轉子定子間隙、螺紋導程、及轉子直徑和轉速變化時的泵送性能的相似經驗換算關系式,用換算公式對泵模擬性能和試驗性能作相似換算,換算性能和CFD模擬性能及試驗結果一致。 最后,對迷宮螺旋泵泵送性能進行了泵常規(guī)性能試驗,試驗研究發(fā)現(xiàn):迷宮螺旋泵的流量和揚程遠高于相同螺紋參數(shù)的螺旋泵的流量和揚程;螺紋導程降低,泵關死揚程升高,流量降低,性能曲線變陡;螺桿螺套配合間隙減小,泵揚程和效率明顯提高;轉子螺紋牙尖迎向轉子轉動方向,會導致泵流量、揚程降低。
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：TH315

【參考文獻】

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本文編號：2669509