（流体机械及工程专业论文）涡旋前伸式双叶片污水泵研究及其叶轮流场的数值模拟.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 涡旋前伸式双叶片污水泵是一种新型的污水泵，试验表明其具有运行效率 高( 效率基本接近一般清水泵的效率) ，振动小，噪音低，运行平稳性好，固体 通过能力特别是纤维性固体的通过能力好等特点，其应用范围和前景十分广阔， 几乎可以用于输送一般污水的所有场合。对其进行研究，是一项十分有意义的工 作。作为一种新型的污水泵，目前国内尚没有这方面的产品，其研究工作尚未起 步，也不见有相关的论文发表，国外也只是在某些杂志上有一些介绍性的说明和 报道，本论文是在一些初步设计、试验的基础上进行分析和总结，对其运行性能 和设计理论、方法以及内部流场进行研究，主要完成了以下内容： 1 讨论固液两相间的相互作用力、固体相应力以及两相流动中的压力情况， 在此基础上介绍了固液两相流动湍流的基本方程。 2 在进一步简化基本方程的基础上，讨论了叶轮内固液两相流动，特别是 纤维性固体在叶轮中流动中的分析，介绍了固体颗粒的存在对扬程的影响，纤维 物料在叶轮中的流动求解方法等。 3 对涡旋前伸式双叶片污水泵的水力设计理论和方法进行了研究，给出了 理论扬程基本方程式，讨论了双叶片数和无限叶片数时理论扬程的差别和叶片前 伸对理论扬程的影响等。针对涡旋前伸式双叶片污水泵的特点，给出了其水力设 计方法，详细讨论了叶轮各几何参数和蜗壳的流道面积的选取原则。 4 具体地进行了设计参数为流量q = 1 2 0 m 3 h 、扬程h = 6 m 、转速n = 1 4 5 0 r m i n 、 比转速n , = 2 5 1 的污水泵的设计，给出了该泵叶轮设计的中间过程和模型图。 5 总结了叶轮机械流场计算的理论、方法和发展历史。对叶轮机械流场计 算的控制方程、网格划分和控制方程的离散求解方法等进行了讨论。 6 结合c f d 软件f l u e n t 对所设计的叶轮进行了流动模拟。在数值模拟的 前处理工作中，采用g a m b i t 为前处理工具进行叶轮的三维造型，并形成流动区 域，再利用非结构网格方法对流动区域进行网格划分，并指定边界类型。在流场 求解的过程中，计算模型采用标准的k 一占模型，针对控制方程的特点，速度求解 时使用二阶中心差分，压力与速度耦合求解采用s i m p l e 算法，离散后方程的求 解采用u n d e r - r e l a x a t i o n 法。 江苏大学硕士学位论文 7 分析了流场计算的结果，发现叶轮进口处中心压力要高于边缘的压力， 在中心高压的作用下，固体颗粒会向边缘方向运动，避免在叶片头部发生堵塞， 这有利于固体颗粒的通过。 8 在流场计算的基础上进行了叶轮扬程和水力效率的预测以及和试验结果 的比较，并分析了预测值和实际测试值产生差异的原因。 关键词：涡旋前伸式双叶片，污水泵，水力设计，k 啦紊流模型，数值模拟 i i 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a san e w t y p eo fs e w a g ep u m p ，v o r t e xf o r w a r d e x t e n d e dd o u b l eb l a d e sp u m p f e a m r e sh i g h e re f f i c i e n c y ( c l o s et og e n e r a lw a t e rp u m p ) ，b e t t e rr u n n i n gs t a b i l i t y ( 1 0 w e r n o i s ea n ds m a l l e rv i b r a n c y ) a n de a s i e rf o rs o l i dp a r t i c l e ( s p e c i a l l yf o rf i b r e d ) t op a s s t h r o u g ht h ep u m pw h i c hw a sp r o v e db yp u m pt e s t w i t ht h ec h a r a c t e r , i tc a l lb eu s e d a l m o s ti na l lf i e l d so fp u m p i n gs e w a g e ，a n di ti sn e c e s s a r yt ot h o r o u g h l yr e s e a r c ht h i s t y p eo fp u m p t i l ln o w t h e r ei sn om e r c h a n d i s el i k ei t ，n or e s e a r c h i n gp a p e ro ni ti n o u rc o u n t y o n l ys o m ei n t r o d u c t i o no nt h i sp u m pc a nb es e e ni no v e r s e a sj o u r n a l s i n t h i sp a p e r ，b a s e do nd e s i g np r a c t i c ea n dt e s t ，t h ep e r f o r m a n c e ，d e s i g na n d i n n e rf l o wf i e l do fv o r t e xf o r w a r d e x t e n d e dd o u b l eb l a d ep u m pw a ss t u d i e d t h em a i n w o r ki so u t l i n e da sf o l l o w i n g ： 1 d i s c u s s i n gt h ei n t e r - f o r c eb e t w e e nt h es o l i dp h a s ea n dt h el i q u i dp h a s e ，t h e s t r e s sa n dp r e s s u r eo f t h et w op h a s e ；b r i n g i n go u tt h et u r b u l e n c et w op h a s ee q u a t i o n 2 b ys i m p l i f y i n gt h ee q u a t i o n ，t h et w op h a s ef l o w , s p e c i a l l yt h ef i b r e df l o w w i t h i nt h ei m p e l l e rw a sa n a l y z e d s o m ec o n c l u s i o n sw a sr e a c h e ds u c ha st h ee f f e c to f t h ep a r t i c l eo np u m p sh e a da n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ff i b r e df l o ww i t h i ni m p e l l e r 3 r e s e a r c h i n gt h et h e o r ya n dm e t h o do fd e s i g n i n gv o r t e xf o r w a r d e x t e n d e d d o u b l eb l a d ep u m p ，w h i c hi n c l u d ee s t a b l i s h i n gt h eh e a de q u a t i o no ft h i st y p eo fp u m p d i s c u s s i n gt h ed i f f e r e n c eo f t h ep u m p sh e a db e t w e e ni m p e l l e rw i t hd o u b l eb l a d e sa n d 、i t l li n f i n i t eb l a d e sa n dt h ee f f e c tc a u s e db yf o r w a r d e x t e n d e db l a d eo nt h ep u m p s h e a d d e v e l o p i n gt h eh y d r a u l i cd e s i g nm e t h o ds u c ha sh o w t oa s c e r t a i nt h eg e o m e t r i c p a r a m e t e r so f i m p e l l e ra n dv o l u t eb a s e do nt h ep u m p sc h a r a c t e r ， 4 d e s i g n i n gav o r t e xf o r w a r d e x t e n d e dd o u b l e b l a d es e w a g ep u m pw i t h p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ：q = 1 2 0 m 3 h ，f ，_ 6 m ，”2 1 4 5 0 r m i n t h ed e s i g n i n gp r o c e s s w a sd e m o n s t r a t e da n dt h eh y d r a u l i cm o d e lw a sg i v e no u t 5 r e v i e w i n gt h et h e o r y ，m e t h o d ，h i s t o r yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ef l o w w i t h i nt u r b i n em a c h i n ea n dd i s c u s s i n gt h eg o v e r n i n ge q u a t i o n ，g r i dg e n e r a t i n ga n dt h e d i s c r e t i o nm e t h o d 6 s i m u l a t i n gt h ef l o ww i t h i n t h ed e s i g n e di m p e l l e rw i t hf l u e n t w i t h g a m b i ta st h ep r e p r o c e s s o r , b u i l d i n gu p3d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h ei m p e l l e r , f i g u r i n g o u tt h ef l o wd o m a i na n da p p o i n t i n gt h eb o u n d a r i e s t a k i n gs t a n d a r dk - e h 江苏大学硕士学位论文 m o d e la st h ec a l c u l a t i n gm o d e la n dt h es i m p l ea l g o r i t h ma st h em e t h o dt oc o u p l e t h ep r e s s u r ea n dt h ev e l o c i t y a p p l y i n gt h et d m a t od i s c r e t ea l g e b r a i ce q u a t i o na n d t h em e t h o do f u n d e - r - r e l a x a t i o nt oi t e r a t e 7 t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep r e s s u r ei sh i g h e ri nt h ec e n t e rt h a ni nt h ea r e an e a r t h eb o u n d a r yo ft h ei n l e to ft h ei m p e l l e r t h i si st h ec a b s eo fb e t t e rp a s s t h r o u g h d e r f 0 n n a n c eo fv o r t e xf o r w a r d e x t e n d e dd o u b l eb l a d es e w a g ep u m p h i g h e rp r e s s u r e m a k e sd a r t i c l ea n df i b r e dm o v et ot h ea r e an e a rb o u n d a r yo fi m p e l l e r si n l e ts ot h a ti t a v o i dc l o g g i n gi nt h ei n l e t 8 o nt l l eb a s i so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep u m pw a s f o r e c a s t e da n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ef o r e c a s t i n ga n dt h et e s tr e s u l tw a sa n a l y z e d k e yw o r d s ：v o h e xf o r w a r d - e x t e n d e dd o u b l eb l a d e ，s e w a g ep u m p ， h y d r a u l i cd e s i g n ，k - et u r b u l e n c em o d e l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 学位论文版权使用授权书 y - 8 2 7 2 0 3 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密醴 学位论文作者签名 易种 如p f 年6 月l ie l 指导教师签名 7 ， 铋里穿 形彳钋川日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：参吖弋 1 日期：聊3 年6 月i ( 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1论文的研究背景以及国内外现状与发展趋势 1 1 1 固液两相流泵简介 固液两相流泵是泵送含固体物的液体介质的设备，从工作原理来看，有叶片 式和容积式两种，广泛应用于冶金、矿山、污水处理、市政工程、建筑、造纸， 化工流程、电力煤炭等部门。 容积式固液两相流泵基本工作原理是利用泵腔液体体积的周期性变化来实 现固液两相混合物的输送，而叶片式固液两相流泵的基本工作原理是通过旋转的 叶片对固液两相混合物做功，提高其能量以达到输送的目的。由于固液两相介质 对泵零件的摩擦远比单相流体严重，容积式固液掰相流泵大多采用隔膜式结构， 如混凝土输送泵、水煤输送泵。由于工作原理的不同，容积式固液两相流泵可以 输送固体物含量较高的两相介质流动性不好的非牛顿流体而叶片式固液两相流 泵一般用来输送固体物含量较低的两相介质。表1 1 说明这两种泵运行性能的区 别。 表1 1容积式、n f 片式周液两相流泵运行性能比较 输送吲体物的体积比运行的稳定性 容积式固液两相流泵高压力脉动人，流动不稳定，振动噪音大 川片式同液两相流泵 般较低运转平稳，振动噪音小 一般来说，常见的固液两相流体中固相物的浓度都不是太高，所以叶片式固 液两相流泵比较常见，也是这些年来发展最快的泵，以下主要讨论叶片式固液两 相流泵，所说的固液两相流泵只指叶片式固液两相流泵。固相物的大小、形态、 密度以及浓度是千差万别的，因而固液两相流泵也就有各种各样的结构和形式。 一般可以根据其输送固体的成分和大小，分为如下三类： 1 污水泵。主要用于输送污水、粪便、纸浆、工业废水、纤维等，输送纸 浆的泵也叫纸浆泵： 2 渣浆泵。主要是泥浆泵和砂泵，用于冶金、矿山、煤炭、电力等行业输 送尾矿、精矿、废渣、煤泥等，火电厂用来输送灰渣的泵一般叫灰渣泵，选煤厂 江苏大学硕士学位论文 用的渣浆泵有时也叫矿浆泵： 3 泥泵a 泥泵主要用于江河湖海的挖泥和疏泼，用来输送砂石、泥土和杂 革等，一般要求有较大的通过能力。 当然，固液两相流泵也可以根据其他的分类方法进行分类，如根据过流部件 的材料，可以分为会属泵( 如高c r 铸铁、硬镍) 和非金属泵( 衬胶泵、陶瓷泵 等) ，根据其耐腐蚀性能可以分为普通型和耐腐蚀型。 1 1 2 污水泵及其发展趋势 由于社会的进步和经济的发展，污水处理、市政工程、公路建筑、轻工造纸 用泵不断增加，污水泵成了这些年以来发展最快的泵种。目前可见的污水泵( 叶 片式) ，根据其工作原理的不同可以分为如下几种：开式和半开式、单流道和双 流道式、旋流式、螺旋离心式以及和一般叶片泵差不多的少叶片数( 叶片数为 2 - 3 ) 的污水泵。总的来说，表征污水泵性能的主要指标是运行效率和通过能力， 上述污水泵因其工作原理的不同而显示出不同的特点，适合于不同的使用场所， 其具体的特点和应用场所可以参考文献 1 。 目前而言，污水泵的发展趋势主要向大型化，智能化化发展，应用新材料以 提高泵的使用寿命，以及向多样化发展。无论国内外，污水泵的发展，其趋势之 一就是针对特定的介质设计特定的泵，以满足不同介质输送的要求，既根据输送 介质的特点，设计制造通过能力适当，效率高，可靠性好，运行安全性好的产品。 涡旋前伸式双叶片污水泵，就是为了解决生活污水、高速公路污水泵站、地铁污 水泵站、自来水厂沉淀池排污泵等经常由于纤维、塑料薄膜的缠绕而堵塞这一问 题而提出来的，如果通过研究，使其优点得以凸现，将是一项既有研究价值又有 较大的经济效益和社会效益的课题。 1 1 3 污水泵的研究状况 对污水泵的研究，可以检索到大量的文献，这些文献基本上覆盖了有研究价 值的各个领域，这些工作可以简述如下： 1 研究泵送固液两相流体时的性能变化1 9 j lf ”l 。由于污水泵在泵送污水时 的流动状态和清水时不同，因而表现出来的外特性也就不一样。国内外的学者对 此作过一些对比实验，给出了一些经验公式。但是这些经验公式都是在特定的试 江苏大学硕士学位论文 验条件下得出来的，局限性较大。因此有必要积累更多的资料，以期能更准确地 预测泵送污水时的性能，为污水泵的选型和设计提供可靠的依据。 2 污水泵的设计理论和方法的研究。这方面的研究文献可以说是相当的多 ”“”“7 “”，最具代表性的设计理论是速度畸变理论和固液速度比理论【1 7 】 i s l ( 严格来说，上述两个理论还只是假设) ，众多的学者在经验的基础上，对不同 结构的污水泵，提出了大量的设计方法，并在实际应用中取得了较好的效果。但 是由于泵内两相流动的规律目前还不是十分清楚，污物的通过机理还没有得以很 好的研究，这方面的研究还有待进一步的深入。 3 磨蚀机理的研究3 川6 l 【l ”。搞清楚泵的磨蚀机理，对于合理设计和延长泵 的使用寿命有重要意义。对于泵内的磨损是汽蚀破坏还是单纯的磨损，或者是由 于汽蚀和磨损联合作用而导致的，争论较多，目前也没有定论。总之，泵内的磨 蚀机理目前还不是十分清楚。 4 污水泵内两相流动的研究【】l f ”1 。泵内两相流动的研究对合理设计过流 部件有很重要的指导意义，目前主要集中在颗粒运动规律的研究上。如用高速摄 影技术、p i v ( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r e ) 技术得到颗粒运动轨迹，粒子群运动 规律，用c f d 计算两相流动的浓度分布、颗粒与液体的运动速度等，国外开展 这项工作有4 0 多年的历史，国内也正在开展中，近年来，很多论文涉及到这方 面。 总的说来，污水泵的研究内容丰富，涉及的面很广，其他的要研究的关键技 术还有密封技术，耐磨件的铸造技术等等。而对本论文要做的涡旋前伸式双叶片 污水泵，由于其叶轮结构特殊，目前与之密切相关的资料几乎是没有。 1 2 本文研究的主要内容和意义 1 21 涡旋前伸式双叶片污水泵的特点及研究意义 涡旋前伸式双叶片污水泵是一种新型的污水泵，目前国内尚没有这方面的产 品，其研究工作尚未起步，也未见有相关的论文发表，国外也只是在某些杂志上 有一些介绍性的说明和报道，因此其研究的难度相对较大。本论文就是在一些初 步设计、试验的基础上进行分析和总结，对其运行性能和设计理论、方法以及内 部流场进行研究。 江苏大学硕士学位论文 验条件下得出来的，局限眭较大。因此有必要积累更多的资料，以期能更准确地 预测泵送污水时的性能，为污水泵的选型和设计提供可靠的依据。 2 污水泵的设计理论和方法的研究。这方面的研究文献可以说是相当的多 ”“”“7 “”，最具代表性的设计理论是速度畸变理论和固液速度比理论m i 1 8 l ( 严格柬说，上述两个理论还只是假设) ，众多的学者在经验的基础上，对不同 结构的污水泵，提出了大量的设计方法并在实际应用中取得了较好的效果。但 是由于泵内两相流动的规律目前还不是十分清楚，污物的通过机理还没有得以很 好的研究，这方面的研究还有待进一步的深入。 3 磨蚀机理的研究”1 1 6 1 1 19 1 。搞清楚泵的磨蚀机理，对于合理设计和延长泵 的使用寿命有重要意义。对于泵内的磨损是汽蚀破坏还是单纯的磨损，或者是由 于汽蚀和磨损联合作用而导致的，争论较多，目前也没有定论。总之，泵内的磨 蚀机理目前还不是十分清楚。 4 污水泵内两相流动的研究0 】 1 4 1 1 。泵内两相流动的研究对合理设计过流 部件有很重要的指导意义，目前主要集中在颗粒运动规律的研究上。如用高速摄 影技术、p i v ( p a r f i c l ei m a g ev e l o c i m e t r e ) 技术得到颗粒运动轨迹粒子群运动 舰律，用c f d 计算两相流动的浓度分布、颗粒与液体的运动速度等，国外歼展 这项工作有4 0 多年的历史，国内也诈在开展中，近年来，很多论文涉及到这方 面。 总的说柬，污水泵的研究内容丰富涉及的面很广，其他的要研究的关键技 术还有密封技术，耐磨件的铸造技术等等。而对本论文要做的涡旋前伸式职叶片 污水泵，由于其叶轮结构特殊，目前与之密切相关的资料几乎是没有。 1 2 本文研究的主要内容和意义 1 21 涡旋前伸式双叶片污水泵的特点及研究意义 涡旋日h 伸式双叶片污水泵是一种新型的污水泵，目前国内尚没有这方面的产 品，其研究工作尚未起步，也未见有相关的论文发表，国外也只是在某些杂志上 有一些介绍性的说明和报道，因此其研究的难度相对较大。本论文就是在些初 步设计、试验的基础上进行分析和总结，对其运行性能和设计理论、方法以及内 步设计、试验的基础上进行分析和总结，对其运行性能和设计理论、方法以及内 部流场进行研究。 江苏大学硕士学位论文 验条件下得出来的，局限性较大。因此有必要积累更多的资料，以期能更准确地 预测泵送污水时的性能，为污水泵的选型和设计提供可靠的依据。 2 污水泵的设计理论和方法的研究。这方面的研究文献可以说是相当的多 ”“”“7 “”，最具代表性的设计理论是速度畸变理论和固液速度比理论【1 7 】 i s l ( 严格来说，上述两个理论还只是假设) ，众多的学者在经验的基础上，对不同 结构的污水泵，提出了大量的设计方法，并在实际应用中取得了较好的效果。但 是由于泵内两相流动的规律目前还不是十分清楚，污物的通过机理还没有得以很 好的研究，这方面的研究还有待进一步的深入。 3 磨蚀机理的研究3 川6 l 【l ”。搞清楚泵的磨蚀机理，对于合理设计和延长泵 的使用寿命有重要意义。对于泵内的磨损是汽蚀破坏还是单纯的磨损，或者是由 于汽蚀和磨损联合作用而导致的，争论较多，目前也没有定论。总之，泵内的磨 蚀机理目前还不是十分清楚。 4 污水泵内两相流动的研究【】l f ”1 。泵内两相流动的研究对合理设计过流 部件有很重要的指导意义，目前主要集中在颗粒运动规律的研究上。如用高速摄 影技术、p i v ( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r e ) 技术得到颗粒运动轨迹，粒子群运动 规律，用c f d 计算两相流动的浓度分布、颗粒与液体的运动速度等，国外开展 这项工作有4 0 多年的历史，国内也正在开展中，近年来，很多论文涉及到这方 面。 总的说来，污水泵的研究内容丰富，涉及的面很广，其他的要研究的关键技 术还有密封技术，耐磨件的铸造技术等等。而对本论文要做的涡旋前伸式双叶片 污水泵，由于其叶轮结构特殊，目前与之密切相关的资料几乎是没有。 1 2 本文研究的主要内容和意义 1 21 涡旋前伸式双叶片污水泵的特点及研究意义 涡旋前伸式双叶片污水泵是一种新型的污水泵，目前国内尚没有这方面的产 品，其研究工作尚未起步，也未见有相关的论文发表，国外也只是在某些杂志上 有一些介绍性的说明和报道，因此其研究的难度相对较大。本论文就是在一些初 步设计、试验的基础上进行分析和总结，对其运行性能和设计理论、方法以及内 部流场进行研究。 江苏大学硕士学位论文 涡旋前伸式双叶片污水泵叶轮轴面图如图1 1 所示，与其他污水泵相比较， 结构上有以下一些特点： ( 1 ) 叶轮为两叶片，叶片向进口边延伸较多，特别是后盖板流线更为突出。 流道进口处中心轮毂较一般叶轮轮毂小： ( 2 ) 叶轮为半开式叶轮； ( 3 ) 螺旋离心泵是将离心泵叶片螺旋向前延伸，延伸度大，且前盏板流线 延伸比后盖板多；而前伸式双叶片泵叶片前伸度不如螺旋离心泵大，且叶片后盖 板流线比前盖板流线延伸要多。 图l - 1叶轮轴面不意图 从一些初步的设计试验来看，涡旋前伸式双叶片污水泵与一般污水泵相比 较，具有以下特点： ( 1 ) 涡旋前伸式双叶片污水泵与传统离心泵、混流泵的主要区别是叶片数 少，叶片前伸显著。少叶片数有利于流道的通畅从而使通过能力提高，叶片前伸 对于污物通过性能的影响，初步来看是有利的。原因可能在于由于叶片的前伸， 在叶轮的吸入口中心压力会有提高，由于中心压力的提高，固体物料会向边缘运 动，从而使之能顺利通过而不致发生缠绕。 ( 2 ) 与螺旋离心泵相比，前伸式双叶片泵有某些相似之处。例如其叶片均 前伸，污水通过性能较好。但是前伸式双叶片泵制造相对要简单，从一些初步试 验来看，运行更为稳定，无螺旋离心泵在偏离设计工况点时具有的振动噪音较大 的问题，同时由于是双叶片结构，受力的对称性比单流道污水泵要好得多因此 轴承受力状态得以改善，提高了机组的运行寿命。 ( 3 ) 从运行效率来看，设计得当的涡旋前伸式双叶片污水泵运行效率可以 江苏大学硕士学位论文 接近一般清水泵的效率，比一般结构形式的污水泵要高有利于节约能源。 ( 4 ) 叶片前伸可能会在吸入段形成中心涡旋，这种涡旋对两相流体有拉动 作用，对于较高浓度的纸浆，这种作用有利于其流动化，因此前伸式双叶片泵输 送纸浆的浓度比一般半开式叶轮纸浆泵要高，但是中心旋涡的存在会影响泵的效 率。 从上述关于涡旋前伸式双叶片泵的特点，可以看出其应用范围和前景是广阔 的，几乎可以用于输送污水的所有场合，因此对其进行研究并对其设计方法、性 能特点进行深入的了解有着重要的意义。 1 2 2 本论文的研究内容 由于涡旋前伸式双叶片污水泵是一种新型的污水泵，与之密切相关的文献几 乎没有，因此只能借鉴以往的研究方法和研究手段进行研究。因此本论文中主要 包括以下内容： ( 1 ) 研究泵内两相流动的机理，包括固体颗粒和纤维性物料的流动机理， 以及通过叶轮时的性态对流动的影响：研究涡旋前伸式双叶片污水泵叶轮入口前 段的流动状态与通过性能的关系，讨论叶片前伸对通过性能的影晌。 ( 2 ) 研究叶片前伸与双叶片条件下的流动与普通离心泵的区别，如滑移系 数的变化等。 ( 3 ) 在前面研究的基础上给出涡旋前伸式双叶片污水泵的水力设计方法， 并给出设计实例。 ( 4 ) 将设计的叶轮进行三维造型，利用g a m b i t 完成流场数值模拟的前处理 工作，利用f l u e n t 对涡旋前伸式双叶片污水泵流场进行计算，得出数值模拟结果， 如压力分布图、速度分布图等，并将计算结果与试验结果进行分析对比。 参考文献 1 关醒凡编著现代泵技术手册宇航出版社1 9 9 5 2 关醒凡，谢达荣，张晓峰等旋流泵理论与特性的研究( 英) ，第三届中日流体机械学术 讨论会论文集1 9 9 0 4 于日本大阪 c 3 关醒凡李幼康李红单流道泵及双流道泵的设计，水泵技术，1 9 9 4 ，n o l 【4 】 施卫东污水泵水力设计综述流体机械，1 9 9 7 0 8 江苏大学硕士学位论文 【5 】朱荣生t 关醒凡，黄道见螺旋离心泵叶轮主要几何参数的确定流体机械，1 9 9 61 2 【6 陈仰吾陈琳，王晓春螺旋离心泵的试验研究流体机械，1 9 9 7 0 2 【7 刘厚林，关醒凡，李幼康双流道叶轮的设计方法流体机械，1 9 9 9 0 9 【8 陈红勋旋流泵叶轮内部流动的研究 博七学位论文】江苏工学院，1 9 9 l 【9 v m l n b i e n i e c k i s o m ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fa c e n t r i f u g a lp u m pw i t hr e c e s s e d i m p e l l e rp u b l i co f a s e m7 2 一f e - 1 0 1 9 7 2 1 0 】r o c oe ta l ，c a l c u l a t i o no f s o l i dp a r t i c l e sc o n c e n t r a t i o ni nc e n t r i f u g a lp u m pi m p e l l e ru s i n g f i n i t ee l e m e n tt e c h n i q u e ，h y d r o t r a n s p o r t71 9 8 0 1 l 】b u r g e s s ，k ，e e ta 1 ，t h ee f f e c to fs i z i n g ，s p e c i f i cg r a v i t ya n dc o n c e n t r a t i o no nt h e p e r f o r m a n c eo f c e n t r i f u g a ls l u r r yp u m pj s m e ，b ，v 0 1 2 9 ，1 9 6 3 ，p 1 7 8 6 1 7 9 4 1 2 】z a r y a ，a ，n ，t h ee f f e c t o ft h es o l i dp h a s eo fas l u r r yo nt h eh e a dd e v e l o p e db ya c e n t r i f u g a lp u m p ，f l u i dm e c h a n i c s s o v i e tr e s e a r c h v 0 1 4 ，1 9 7 5 p 1 4 4 - 1 5 9 1 3 】赵敬亭等，两相流泵译文集二，清华大学水力机械教研组，1 9 8 5 8 【1 4 】吴玉林等渣浆泵叶轮固液两相湍流的计算和实验清华大学学报，1 9 9 8 ( 1 ) ：7 1 7 4 1 5 】许洪元等离心泵流道中固体颗粒速度场的粒子成像测速( p i v ) 分析与研究农业l ：程 学报，1 9 9 8 ( 3 ) ：1 1 2 1 1 5 【1 6 r o c om ce r o s i o nw e a ri ns l u r r yp u m p sa n dp i p e s p o w e r t e c h n o l o g y 1 9 8 7 ，5 0 3 ：5 【1 7 蔡保元，离心泵的“二相流”理论及其设计原理科学通报1 9 8 3 【1 8 许洪元固液泵的速度比理论和设计原理泵及泵系统国际学术会论文集1 9 9 2 【1 9 马振宗高含砂水流对离心泵汽蚀余黛的影响水泵技术1 9 9 0 2 6 江苏大学硕士学位论文 2 1 前言 第二章叶轮内两相流动分析 在泵送污物时，最突出的问题是污物在泵内的通过性能以及过流部件的磨损 问题。污物对泵流道的堵塞减低的泵的输送能力，有时还可以形成叶轮的卡滞， 从而对原动机形成堵转，损坏原动机。磨损不但使泵的效率下降，而且使泵的使 用寿命缩短。研究人员采用多种方法来探讨泵流道中固体物的两相流动结构，以 期找到提高通过能力和减少磨损的途径。r o c o 等用有限元方法计算叶轮中固体 颗粒的浓度分布和颗粒与叶片撞击的角度，分析和预测磨损；z a r y a 用单个的颗 粒表示固相运动研究了叶轮中混合液的各相运动规律，苏波隆用高速摄影拍摄了 叶轮和涡壳里的流道中的颗粒分布并由此分析泵中的磨损规律，b u r g e s s 等通过 计算颗粒的运动轨迹，预测叶轮的性能，并用涂料实验进行验证。我国亦有相当 多的学者在这一方面做了一些有意义的工作，如许洪元采用p i v 对离心泵内的固 体颗粒速度场进行了测试，吴玉林等对渣浆泵叶轮进行两相湍流的计算与实验， 魏进家、姜培正、王长安等对稠密两相流动提出了一些有价值的理论和公式，并 用来分析离心泵和风机内的流动。 总的说来，由于两相流动的复杂性，这方面的工作难度大，能够普遍应用的 研究结论也很少。特别是关于泵中通过性能的研究，如何防堵塞防缠绕，不但有 两相流动的受力、速度、浓度分布等问题，还有固体物的变形的问题，因而几乎 找不到相关的文献。 2 2 叶轮内两相流动分析 2 2 1 两相流动的基本理论 1 固液两相间的相互作用力 固液两相流动中存在相互作用力，才会有能量和动量的传递。按照单一颗粒 与流体的作用机理，两相间的作用力可以分为以下几类： a 与流体固体的相对运动无关的力。如惯性力，重力，压差力等。 b 因两相间相对运动而产生，其方向平行于相对运动的方向的力。如粘性 江苏大学硕士学位论文 阻力、附加质量力、b a s s e t 力等。 c 因两相间相对运动而产生，其方向垂直于相对运动的方向的力。如升力， s a f f m a n 力，m a g n u s 力等。 下面分别讨论粘性阻力，s a f f m a n 力，m a g n u s 力，b a s s e t 力，附加质量力及 压力等。 ( 1 ) 粘性阻力 粘性阻力是由于液固两相具有速度差所产生的液体对固体的粘性作用力，是 固体运动过程中受到的最主要的力。对单个的球形颗粒的粘性阻力可以根据小球 在粘性流体中的阻力公式和不同r e 范围下的阻力系数得到，对于稀疏固相，应 用这种公式没有什么不妥，但是在颗粒浓度较高时，还必须考虑浓度对阻力的影 响。文献 4 5 推荐的计算公式如下： f = c d 口，( u ，一u p ) ( 2 一1 ) 其中：c 。2 三孔一0 m ( 1 - - t 2 p ) - l “，哈0 2 1 5 0 器1 “7 5 氅型嘛 0 2 他吨 ( 一口。) ( 乒) 2彰 ” f2 4 ( 1 + 0 1 5 r e 。6 8 7 ) ，r e p p ，时：以 ， 当n w p ，睨 m 当n p ，时： ，睨 p ，时，固体相的圆周速度小于液体相的圆周速度。因此 当泵输送两相流体时，如固体相密度大于液体相密度时，相同流量下，泵的扬程 低于单独输送液体时的扬程。 2 2 3 纤维性固体在流动中的分析 纤维是一种长而柔软的固体，在液体中的流动，既有平动，旋转，还有变形， 是一种非常复杂的运动。对纤维的运动进行数学上的描述是相当困难的，因此对 其研究就必须先得到便于分析的纤维流动的简化模型。 1 9 9 2 年j e f f e r y 研究了一个刚性、有浮力的椭球在均匀的s t o k e s 流动中的运 动。发现颗粒的中心是沿着线形流动的，而在库埃特流动中，颗粒的中心轨迹为： 闩a n - 。卜t a n c 并) j ：， 式中g 是切变速率，r e 是椭球的长短轴比。 w h e r r e t t ( 1 9 9 6 ) 在y a m a m o t o 和m a t s u o k a ( 1 9 9 3 ，1 9 9 4 ) 二维流动的基础上将一 跟纤维作为一系列被约束的成分而建立了模型。每个球的运动和转动方程决定了 纤维的运动，其结果对一根刚性的纤维来说是符合j e f f e r y 理论的但是其模型 是二维的，且没有考虑壁面的影响，因此应用不广。o l s o n 于1 9 9 6 年就纤维的 运动建立了一个理论上的模型，并在实验上证明了模型的预测，但是他的模型局 限于刚性的纤维。 2 0 0 1 年，j a m e s a o l s o n 假设一根直的刚性纤维，沿着纤维的所有点的速度 可以看做是纤维的平移速度v 和旋转速度驴的总合。其中p 是平行于纤维主轴的 一个单位向量的时间导数；，是到纤维中心的距离，如2 - l 图示。作用在其上的 4 江苏大学硕士学位论文 外力为 l 2 f = j o u ( o 一( v + 炉) 印 2 作用在纤维上的外力矩为： 2 m = 弘，d b ( f ) 一( v + ) 切 - l 2 图2 1 长为l 的月4 性纤维 式中“为流体的流动速度，v 为纤维的移动速度。单位向量p 指向纤维的方向。 假设纤维是有浮力且不计其惯性，那么力可得： v = * ( y 也删 土 国2p 詈皇“c y + p ，。讲 式中u 为纤维运动的角速度。 如果平均流体速度用“来代替，方向的变化率p 可以表示为： p = x p 上述方程结合起来就确定了纤维流动的轨迹。 但是由于上面的分析都是对刚性纤维进行的，实际的纤维是柔性的且可变形 的，因此具有很大的局限性。 1 9 9 7 年l a w r y s h y n 根据欧拉伯努利射速弯曲理论在平面中计算了一根柔性 江苏大学硕士学位论文 纤维的运动。1 9 9 8 年s t o c k i e 和g r e e n 用浸入边界法模拟了柔性纤维的运动， 这种方法能够知道纤维对流体的影响，但是其研究仅局限于二维，三维的研究还 未见有公开的报道。 参考文献 王长安密相液固两相二维湍流流动的研究及其在泵叶轮内流场计算与分析中的应 用。【博士学位论文】，西安交通大学，1 9 9 6 施学贵徐旭常等颗粒在湍流中运动的受力分析i ：程热物理学报，1 9 8 9 33 2 0 3 2 5 h w a n ggj s h e nhh m o d e l i n go ft h es o l i dp h a s es t r e s si naf l u i d - s o l i dm i x t u r e a s m e j m u l t i p h a s ef l o w 1 9 8 9 ( 2 ) ：2 5 7 2 6 8 s o osl c o m p a r a t i v ef o r m u l a t i o n o fm u l t i p h a s ef l o wa n dh e a tt r a n s f er ，s e c o n d i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u m ，v 0 1 2 ，e d i t e db yx u e q u ec h e n ，tn v e z i r o g l u ，c l t i e n ， h e m i s p h e r e p u b l i s h i n g c o r p o r a t i o n ，u s a ，1 9 9 1 ：1 0 1 7 - 1 0 2 7 d r e w d a 著，方明，蔡晓呜译，两相流的数学模型( 上) 上海力学，1 9 8 5 ( 1 ) ：6 5 6 7 g i v l e rrc a ni n t e r p r e t a t i o nf o rs o l i d - p h a s ei ns l o w , f l u i d p a r t i c l ef l o w s i n t j m u l t i p h a s ef l o w , 1 9 8 7 ( 5 ) ：7 1 7 - 7 2 2 陈景仁著臧团才等译湍流模型及有限元分析法上海交通大学出版丰十1 9 8 9 e l g h o b a s h ise a b o u a r a btw a t w o e q u a t i o nt u r b u l e n c em o d e lf o rt w o - p h a s ef l o w p h y s ，f l u i d s 1 9 9 3 ( 4 ) ：9 3 i - 9 3 8 a b o u - a r