（材料加工工程专业论文）疏浚泥泵外特性及泵壳变形规律的研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 鸳宣壹 日期：丝! 墨：丝：丛 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：毫噻i 7 导师( 签名) ：盟日期：型歹，夕 摘要 目前，对挖泥船泥泵的设计和工作特性研究存在局限：( 1 ) 泥泵的设计多基 于清水介质，未考虑泥沙的影响，使得泥泵的设计与实际性能之间存在较大差 异；( 2 ) 泥泵设计性能较难兼顾我国河流、湖泊、海湾众多的特点和土质复杂多 变的工况；( 3 ) 泥泵的复杂、恶劣工作条件不仅引起泵壳的磨损、冲蚀和气蚀， 还直接导致泥泵内外压差过大，引起泵壳变形。这不仅影响泥泵的疏浚效率和 运行安全，也导致能耗增加和降低泵壳的使用寿命。因此，研究泥砂颗粒性质 对疏浚泥泵性能( 内流场及外特性) 的影响，探究泥泵外特性与泵壳变形之间的关 系等，对提高泥泵的疏浚效率和确保运行安全具有重要的理论和现实意义。 本文基于1 7 5 0 m3 h 挖泥船泥泵固液两相流疏浚工作条件，运用f l u e n t 软件对泥泵内部流场进行模拟，采用单因素和多因素的试验方法，分析了颗粒 体积浓度、直径和密度对泥泵内部压力场的影响；结合压力场的模拟分析将变 形模拟中的泵壳模型简化为半泵壳模型，再应用a b a q u s 软件对泵壳变形进行 预测，结合田1 3 方法定量分析了泥砂颗粒性质对泥泵外特性的影响，总结了有 关因素对泥泵外特性及泵壳变形影响的基本特点，探讨了最大负载工况下泥泵 外特性与泵壳变形的关系，主要结论如下： ( 1 ) 压力场的模拟分析表明，泵壳周壁和侧壁压力随圆周角的不同存在一定 波动，但相邻波峰和波谷间的差值均在0 1 m p a 以内：泵壳周壁压力随着圆周角 的增加沿流体流动方向波动上升；泥砂颗粒体积浓度和粒径越大，泵壳内压力 增加的趋势越明显，随着颗粒密度的增加，泵壳内压力略有增加。 ( 2 ) 泵壳最大变形位置主要发生在轴向最大横截面处，且主要是轴向的外张 变形：泵壳变形的较大和较小区域分别位于沿逆时针方向圆周角为3 0 0 。- 3 0 。、 6 0 。1 8 0 。；随着泥砂颗粒体积浓度、粒径及密度的增加，泵壳变形增加，与 泵壳内压力的变化规律一致；且颗粒体积浓度对泵壳变形的影响最大，其次是 颗粒直径，最小的是颗粒密度。 ( 3 ) 泥泵外特性的研究表明，随着泥砂颗粒体积浓度、粒径和密度的增加， 泥泵的扬程、效率减小，而轴功率增加；田口分析发现，颗粒性质对泥泵外特 性的影响有如下特点：扬程粒径 浓度 密度( 贡献比分别为6 9 8 6 、2 8 3 1 、 1 8 4 1 ；轴功率粒径 密度 浓度( 贡献比分别为9 9 1 0 、0 7 4 、0 1 7 ) ； 效率粒径 密度 浓度( 贡献比分别为6 5 3 5 、1 9 5 8 和1 5 0 7 ) 。 ( 4 ) 泥砂颗粒的单因素影响模拟发现，泥泵以较高的扬程和效率工作时，泵 壳变形均较小，表明在一定范围内既可提高泥泵的疏浚效率，又能确保泥泵的 运行安全；另外，最大负载工况时，泥泵的扬程和效率显著降低( 分别比清水时 降低了1 4 6 2 和3 8 6 5 ) ，泵壳变形为1 5 4 7 m m ，但仍处于安全设计间隙( 2 m m ) 范围内。可见1 7 5 0 m3 h 挖泥船泥泵在常规细、中、粗颗粒工况下的泵壳变形均 处于安全设计值之内。 ( 5 ) 本文数据分析中采用了田口分析方法，不仅得到关于泥泵外特性影响因 素的作用程度、而且获得了定量数据，使分析结果更加精确、有效。 关键词：泥泵，颗粒性质，外特性，田口方法，泵壳变形 a bs t r a c t a tp r e s e n tt h e r ea r el i m i t si nt h er e s e a r c ho n d r e d g ep u m p sd e s i g na n d d r e d g i n gc h a r a c t e r i s t i c ：( 1 ) d r e d g ep u m pw a sd e s i g n e dm o s t l yb a s e do nt h ew a t e r , n o tc o n s i d e r i n gs e d i m e n t ，w h i c hr e s u l t e di nq u i t ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ed e s i g na n d t h ea c t u a lp e r f o r m a n c eo fd r e d g ep u m p ；( 2 ) d r e d g e p u m pd e s i g np e r f o r m a n c ei sa l s o d i f f i c u l tt om e e tw i t ht h ew h o l es o i lc o m p l e xa n dc h a n g e a b l ec o n d i t i o n so fr i v e r s ， l a k e s ，a n ds e a si nc h i n aa tt h es a n l et i m e ；( 3 ) d r e d g ep u m pc o m p l e xa n dh a r s h w o r k i n gc o n d i t i o n sn o to n l yc a u s e dt h ep u m ps h e l lw e a r , e r o s i o na n dc a v i t a t i o n e r o s i n ，b u ta l s or e s u l t e dd i r e c t l yi n t h ep u m ps h e l ld e f o r m a t i o n w h i c hw a sd u et ot h e g r e a tp r e s s u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ei n s i d ea n do u t s i d eo ft h ep u m pi t s e l f t h e yn o t o n l ya f f e c t st h ep u m p sd r e d g i n ge f f i c i e n c ya n do p e r a t i o n a ls a f e t y , b u ta l s ol e a d st o t h ei n c r e a s ei n e n e r g yc o n s u m p t i o na n dr e d u c e st h es e r v i c el i f eo ft h ep u m p t h e r e f o r e ，s t u d y i n gd r e d g ep u m p sp e r f o r m a n c eo nd i f f e r e n ts e d i m e n tp a r t i c l e s ( w i t h i nt h ef l o wf i e l da n dt h ee x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c s ) ，a n de x p l o r i n gt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ne x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dp u m ps h e l ld e f o r m 撕o n ，h a v et h ei m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e st oi n c r e a s et h em u dp u m pd r e d g i n ge f f i c i e n c y a n dt h es a f eo p e r a t i o n i nt h ep a p e r , b a s e do ni7 5 0 m3 hd r e d g e rm u d p u m p ss o l i d - l i q u i dt w o p h a s e f l o wd r e d g i n gc o n d i t i o n s ，s i m u l a t i n gt h ei n t e m a lf l o wf i e l do fm u d p u m pu s i n gt h e f l u e n t , a n a l y s i n gt h ep a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n ，t h ed i a m e t e ra n dd e n s i t yo nt h e d r e d g ep u m p si n t e m a lp r e s s u r ef i e l d ，a n df o r e c a s t i n gt h ep u m ps h e l ld e f o r m a t i o n u s i n ga b a q u sw e r ec a r r i e do u t w i t ht a g u c h im e t h o dt oa n a l y s et h e e x t e r n a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h es e d i m e n tp a r t i c l e ，d i s c u s s i n gt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e e x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ep u m ps h e l ld e f o r m a t i o nu n d e rd r e d g i n gp u m p s m a x i m u ml o a d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s i m u l a t i o no ft h ep r e s s u r ef i e l ds h o w st h a tt h ep e r i p h e r a lw a l la n dt h es i d e w a l lp r e s s u r eo fp u m ps h e l lh a v es o m ef l u c t u a t i o n s ，b u tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e n 砌a c e n tp e a k sa n dt r o u g h sa r el e s st h a no 1m p a ；p u m ps h e l lp e r i p h e r a lw a l lp r e s s u r e i n c r e a s e sa l o n gw i t ht h ec i r c u m f e r e n t i a la n g l ef l u c t u a t i o n s r i s e ；g r e a t e rs e d i m e n t i i i p a n i c u l a t ev o l u m ec o n c e n t r a t i o na n dp a n i c l es i z e ，m o r eo b v i o u st h ep u m pp r e s s u r e i n c r e a s e s ，w i t hi n c r e a s eo fp a r t i c l ed e n s i t y , t h ep u m pp r e s s u r ei n c r e a s e ss l i g h t l y ( 2 ) m a x i m u md e f o r m a t i o no ft h ep u m ps h e l lo c c u r sm a i n l yi nt h ea x i a l d i r e c t i o nam a x i m u mc r o s s - s e c t i o n a l ，a n di s m a i n l yt h ed e f o r m a t i o no ft h ea x i a l d i r e c t i o no fo u t e rs h e e t s ；l a r g e ra n ds m a l l e ra r e a so fp u m ps h e l ld e f o r m a t i o nl o c a t e 3 0 0 。3 0 。6 0 。1 8 0 。r e s p e c t i v e l y ；w i t hi n c r e a s e si ns e d i m e n tp a n i c l e c o n c e n t r a t i o n ，p a n i c l es i z ea n dd e n s i t y , p u m ps h e l ld e f o r m a t i o ni n c r e a s e s ；a n dt h e i n f l u e n c eo r d e ro np u m ps h e l ld e f o r m a t i o ni st h ep a n i c u l a t e sv o l u m ec o n c e n t r a t i o n ， p a n i c l ed i a m e t e r , sp a r t i c l ed e n s i t i e sr e s p e c t i v e l y ( 3 ) s t u d yo ne x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c so fd r e d g ep u m ps h o w s ：w i t ht h ei n c r e a s e o fs e d i m e n tp a r t i c l ev o l u m ec o n c e n t r a t i o n ，p a n i c l es i z ea n dd e n s i t y , t h e d r e d g ep u m p h e a da n de f f i c i e n c ya r eb o t hd e c r e a s e d ，b u ts h a f tp o w e ri si n c r e a s e d ；t a g u c h ia n a l y s i s f i n d s ：h e a d - p a n i c l es i z e ，c o n c e n t r a t i o n d e n s i t y ( c o n t r i b u t i o nr a t i oo f6 9 8 6 ， 2 8 31 ，1 8 4 ) ；s h a f tp o w e r p a n i c l es i z e d e n s i t y c o n c e n t r a t i o n ( c o n t r i b u t i o n r a t i ow e r e 9 9 1 0 ，o 7 4 ，0 1 7 ) ；e f f i c i e n c y p a n i c l es i z e d e n s i t y c o n c e n t r a t i o n ( c o n t r i b u t i o nr a t i oo f6 5 3 5 ，19 5 8 a n dl5 0 7 1 ( 4 ) t h es i m u l a t i o no nf a c t o r so fs e d i m e n tp a n i c l e sf i n d st h a t w h e nd r e d g e p u m pw o r k sa th i g hh e a da n de f f i c i e n c y , t h ep u m ps h e l ld e f o r m a t i o ni ss m a l l ，w h i c h m e a n st h a ti tc a nn o th o l ye n h e n e et h ee f f i c i e n c yi nac e r t a i nd e g r e e ，b u ta l s oe n s u l e t h es a f eo p e r a t i o n ；m e a n w h i l e ，u n d e rt h em a x i m u ml o a dc o n d i t i o n s ，t h e d r e d g ep u m p h e a da n de f f i c i e n c ys i g n i f i c a n t l yl o w e r 14 6 2 a n d3 8 6 5 ，r e s p e c t i v e l y , c o m p a r e d w i t ht h ec l e a nw a t e r ) ，t h ep u m ps h e l d e f o r m a t i o ni s1 5 4 7 m m ，h o w e v e ri ts t i l li nt h e r a n g e o fs a f e t yd e s i g ng a p ( 2 r a m ) f o rt h eo p e r a t i o no f17 5 0 m 3 hd r e d g e rm u dp u m p o nt h ec o n v e n t i o n a lf i n e ，c o a r s es a n dc o n d i t i o n s ，t h el 帆a m ps h e l ld e f o r m a t i o ni ss a f e w i t h i nt h ed e s i g nv a l u e ( 5 ) t a g u c h ia n a l y s i sm e t h o du s e d i nt h ed a t aa n a l y s i so ft h ep a p e rs h o w st h a t t h er e s u l t sc a nn o to n l yp r o v i d et h er o l e so fd r e d g ep u m pe x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c s i n f l u e n c i n gf a c t o r s ，b u ta l s ot h eq u a n t i t a t i v ed a t a ，w h i c hi s p r o v e dt ob em o r e a c c u r a t ea n de f f e c t i v e k e y w o r d s ：d r e d g ep u m p m u dp u m p ，p a n i c l ep r o p e r t i e s ，e x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c s ， t a g u c h im e t h o d ，p u m ps h e l ld e f o r m a t i o n i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论7 1 1 引言7 1 2 国内外泥泵的研究8 1 2 1 泵壳研究概述8 1 2 2 固液两相流的研究9 1 3 泵壳变形的研究1 1 1 4 本文的研究目的及意义1 3 1 5 本文的研究内容1 4 第2 章计算流体动力学理论1 5 2 1 定义湍流模型15 2 2 多相流理论的研究与发展2 0 2 2 1 双流体模型2 l 2 2 2 颗粒轨道模型2 2 2 3f l u e n t 中多相流计算模型一2 3 2 3 1v o f 模型( v o l u m eo f f l u i dm o d e l ) 2 3 2 3 2 混合模型( m i x t u r em o d e l ) 一2 3 2 3 3 欧拉模型( e u l e r i a nm o d e l ) 2 3 2 4c f d 软件中控制方程的离散方式2 5 2 5 本章小结2 6 第3 章泥泵固液两相流泵壳压力场模拟研究2 7 3 1 三维模型的建立2 7 3 2 网格划分一2 8 3 3 边界条件的设置一2 9 3 3 1 进口边界条件2 9 3 3 2 出口边界条件3 0 3 3 3 固壁边界条件3 0 3 4 数值模拟计算及结果分析3 0 v 3 4 1 泥砂颗粒体积浓度对泵壳压力场的影响3 2 3 4 2 泥砂颗粒直径对泵壳压力场的影响3 5 3 4 3 泥砂颗粒密度对泵壳压力场的影响3 8 3 5 本章小结4 1 第4 章泥泵外特性的研究4 2 4 1 泥泵外特性的计算一4 2 4 1 1 泥泵的扬程4 2 4 1 2 泥泵的功率4 3 4 1 3 泥泵的效率4 3 4 2 泥砂颗粒直径对泥泵外特性的影响一4 4 4 3 泥砂颗粒体积浓度对泥泵外特性的影响一4 5 4 4 泥砂颗粒密度对泥泵外特性的影响一4 5 4 5 正交试验设计与田口分析。4 6 4 6 试验结果分析与验证5 2 4 7 本章小结一5 3 第5 章泵壳变形的数值模拟与分析5 4 5 1 有限元模型的建立一5 4 5 2 泥砂颗粒性质对泵壳变形的影响5 5 5 3 正交试验设计及极差分析一5 7 5 3 1 正交试验设计5 7 5 3 2 极差分析6 0 5 4 本章小结一6 l 第6 章泥泵的外特性与泵壳变形的关系探讨6 2 6 1 泥砂颗粒体积浓度的影响一6 2 6 2 泥砂颗粒直径的影响6 3 6 3 最大负载工况的影响一6 4 6 4 本章小结一6 4 第7 章总结与展望6 6 7 1 总结。6 6 7 2 展望6 7 致谢6 8 参考文献6 9 v l 武汉理工大学硕士学位论丈 1 1 引言 第l 章绪论 我国是世界上水力资源十分丰富的国家之一，如何充分利用水资源，包括 确保航运安全、防洪灌溉、蓄水发电等，必须面对江河湖泊的疏通和清淤问题， 即利用水利机械将水中的砂石或淤泥进行处理。如此庞大浩瀚的工程通常使用 挖泥船完成。绞吸式挖泥船由于它的效率高、生产量大、适用土质范围广、经 济效益好等优越性，越来越得到疏浚作业的认可，是现在疏浚作业中应用的主 要船型1 ，近年来已得到广泛的应用。离心式泥泵作为挖泥船的主要挖泥设备， 更适于远距离水力输送，目前离心式泥泵的挖泥船在各类挖泥船中己占有2 3 比 重【2 】o 泥泵是绞吸式挖泥船的“心脏”，其性能好坏及寿命的长短，直接影响着整个疏 浚作业的生产效率【3 l 。泥泵设计时往往采用的是清水介质，未考虑泥沙对其影响， 以致于泥泵的设计性能与实际运行性能存在着较大的差异，致使实际使用效率 很低，大量的能源浪费。在挖泥船泥泵内部，泥浆的流动很复杂，并且我国河 流多属于泥沙河流，各处的泥沙性质差异很大，泥浆泵性能的变化直接影响到 挖泥船生产率和适应能力。为了提高泥泵在输送固液两相流时的疏浚效率，对 不同颗粒性质下的泥泵内部流场及其泥泵外特性的研究显得非常必要。这里涉 及的泥泵外特性包括泥泵的扬程、轴功率和效率等技术参数。 同时挖泥船的工况条件十分恶劣，在疏浚过程中，经常会发生堵塞现象， 如武汉长江航道工程局的1 7 5 0 m3 h 挖泥船的泥泵每天可能堵上十几次，需专门 人员全天2 4 小时观察。堵塞会造成泥泵内外压差的急剧变化，由于泵体内外压 差的变化会使泵壳产生反复变形。据现场了解，有的泥泵因内外压力差过大而 出现被鼓胀至鼓开的现象，这不仅影响泥泵的疏浚效率，也降低了运行安全性。 在疏浚工程中，由于叶轮与泵壳的动静干涉以及泵的结构上的非对称性， 既有横向振动又有纵向振动，泥泵象一个弹性体会使泵的内外压随时间不断变 化，致使泵壳处于不断的外张内缩的变形状态，同时，由于泵壳的磨损，使得 泵壳内壁的减薄，也加速了泵壳的变形，如果泵壳变形出现超差，不仅会降低 效率，同时也会加速各部件之间的磨损以及不稳定性。所以认清泥泵内部的流 7 武汉理i ：大学硕十学位论文 体的真实流动、颗粒性质对泥泵外特性的影响以及泥泵泵壳内部的压力分布特 点，对疏浚过利中的泵壳的变形程度的了解是十分重要的。 1 2 国内外泥泵的研究 1 2 1 泵壳研究概述 目前国内外对泥泵泵壳的研究包括：泵壳内部流场的特性、泵壳的磨损机 理、泵壳的结杉j 设计等。具体的研究手段包括实验研究、理论分析和数值计算， 实验研究方法多是利用l d v ( 激光多普勒测速仪) 、p i v ( 粒子图象测速技术) 等技术直接测得离心泵内部流动情况，借此判断离心泵结构是否合理。但是， 实验研究往往炎到模型尺寸、实验仪器性能、实验坏境的制约和限制；此外， 实验研究费用火，周期长，不足以满足生产实际的需要。理论分析研究方法的 特点在于科学的抽象，即利用数学方法直接求得所研究问题的理论结果。但是， 受数学发展水平所限，理论分析只能局限于简单的物理数学模型。近年来，随 着计算机技术的发展，利用数值模拟结果来指导泵的研究已经成为重要的技术 手段。采用数值模拟，一方面可以在较短的试验周期中获得所需的设计或产品： 另一方面它可以以更加准确且更加直观的方式显示模型中流动特性的细节，可 以更好的了解泵内部的流动规律，特别是多相流问题，使甩数值仿真能够更加 明确内部固体颗粒的存在对内部流动韵影响，进而以更丰富准确豹理论和实际 流动规律指导泵的结构设计和进一步的结构优化问题，从而提高泵的性能【4 巧j 。 目前对离心泵内部流场进行数值模拟研究主要包括叶轮、泵壳的内部流场 的模拟。总结资料显示，近年来对泵壳内部的流动的模拟研究主要通过两种方 式，一个是单独对泵壳内部流动进行数值模拟。李安虎等【6 7 】在对泵壳进行单独 模拟时，采用的是速度入口边界条件，将泵壳入口处的速度看作是垂直于边界 平均分布的，模拟结果基本上描述了泵壳内部液体的流动情况。王企鲲等强堤将 泵壳进口处进行了进一步的细分，每一份对应相应的速度值，利用插值方法考 虑泵壳进口处的速度的非均匀性。e c e z m in u r s e n 等【9 j 在不同工况下对泵壳的内 部流场进行了数值模拟，泵壳入口采用总压边晁条件，并假设速度是非均匀的 分布，具体是一个方向介于径向速度和切向速度之间，另一个方向介于径向速 度和轴向速度之间，结果表明速度的计算与试验值比较吻合，该方法可以在特 武汉理1 ：大学硕 ：学位论文 定条件一卜分析泵壳内部f 向流动情况。上述对泵壳单独分析的方法均采用的赴入 口近似手段，无法给出一个准确的泵壳入口边界条件。这对泵壳内部的流场的 流动情2 ；已分析是个很大的障碍。但是近年来，随着计算机的发展，出现了“圩究 泵壳内部流场的另外一种方式，考虑叶轮和泵壳的耦合作用即整机模拟。文献 1 0 1 8 】考虑叶轮与泵壳的耦合作用，不考虑叶轮和泵壳之间的间隙，即叶轮出 i s i 为泵壳进口，也就是叶轮出口和泵壳进l - q 的条件( 包括泵壳进口的压力、速度 及k ，分布) 是可以完全借鉴的，对泵壳内部流体流动进行模拟。j o s e g o n z a l e z 等 1 9 - 2 3 1 等也对叶轮和泵三之间的耦合流场进行了分析。对于耦合流场的分卡j i 为 今后进一步的探讨研究泵壳的内部流场提供了重要的借鉴模式。 1 2 2 固液两相流的研究 就研究介质而言，“ 于泥泵是一种固液两相流泵，最开始人们对于泥泵内 部的流场的模拟都是媾于清水介质，没有考虑到固体颗粒的存在，文献 1 0 1 1 1 2 1 6 】通过对泵内部清水场的模拟，得到了泵壳内部清水流场的变化规律； 张武高等人【1 7 】模拟了在清水介质中不同流量下泵壳内部的压力分布及速度分布 规律。由于泥泵是一种固液两相流泵，长期以来，国内用于输送含固体颗粒液体 的离心泵，均是以清水为介质进行设计制造的，因设计与使用要求不符，常会使泵 的效率降低、寿命缩短，进而导致经济性差等不利影响。所以，近年来，随着 流体力学软件的发展，国内外的专家学者，开始着重于固液两相流的数值模拟， 以更好地反映泵的内部流体的流动规律。 a 颗粒性质对流场的影响的研究 李琪飞、李仁年等【2 4 】采用k 一占一a 模型，对泵壳内部的含沙水两相流进行_ p 了模拟，表明固体颗粒的存在明显影响了泵内部的压力场、速度场的分布，磨 损严重区域为泵壳包角从0 p 到3 2 0 范围的外侧壁处，这与试验结果很相符。李 仁年、王秋红【2 5 】对螺旋离心泵的悃液两相流进行了模拟，比较了固体颗粒的直 径、颗粒体积浓度对泵内压力和速度的影响规律，并得到了颗粒直径和颗粒体 积浓度的范围，对叶片型线的设计有一定的帮助。秦武、李志鹏【2 6 】模拟计算了 固液两相流离心泵的内部流场，得到了叶轮和泵壳由于含沙水的存在的磨损严 重区域，并对离心泵的外特性进行了预测。刘胜锋等【27 】对山西省某火电厂 3 0 0 m w 机组的渣浆泵进行了模拟，研究了介质粘度、介质浓度对固液两相流离 心泵性能的影响，得到扬程和效率随着介质粘度的增加而下降，而轴功率上升， 武汉理 人学硕士学化论文 在输送介质粘度由0 0 1 p a s 0 1p a s 时，理论扬程下降了2 一4 ，同时，扬程 和效率也随着介质浓度的增加而下降，而轴功率上升，输送介质浓度为2 5 时， 要比清水介质养成下降1 一3 。赵啸冰、诩：洪元| 28 1 利川拉格朗日法对渣浆泵内 部的颗粒运动轨迹进行了研究，主要包括颗粒直径对轨迹的影响，在颗粒直径 越人越易附着在叶轮的工作面，且大颗粒对叶轮头部产生的冲击越大，在泵壳 区，颗粒的撞击主要集中在泵壳的第三、第五和第七断面附近，小颗粒由于跟 随性好，小颗粒的颗粒轨迹几乎充满了整个泵壳的流道内，对于颗粒密度对轨 迹的影响包括，在叶轮区，密度的颗粒更易贴近叶轮的工作表面，同时也更易 对t - 轮头部产生撞击，在泵壳区，小密度颗粒的撞击j i 要集中在第二断面及第 七八断面间的部位，大密度的颗粒则集中在第二和第三断面之间和第五七断面 处。在国外b 。k g a n d h i 等人【2 弘3 2 】也对两相流泵的内部流场进行数值分析，并且 得到了很好的效果。范贤旗、卢金玲等【3 3 】分别采用双流体模型和颗粒轨道模型 对食沙水进行了固液两相流的模拟，对不同的颗粒浓度和颗粒直径下的颗粒分 布规律进行分析，颗粒浓度高的区域主要分布在叶片口i 力面出进口和出口处， 小粒径的沙粒在叶片上分布均匀，大粒径分布较集中；从泵的外特性来讲，扬 程和效率随着颗粒体积浓度和颗粒直径的增加，会逐渐降低，当含沙浓度达到 一定时，沙粒粒径的增大，对离心泵的扬程、效率影响变小。从叶片的磨损方 面来说，分别对小流量工况、最优工况和大流量工况下泵内部的流动进行了模 拟，得到了不同流量下叶片磨损严重区域。李爱农、施雨湘【3 4 】对疏浚工程中的 磨损机理进行了系统性的分析，自制了砂石磨损试验机，对磨损材料进行了优 选。李仁年、徐振法等【3 5 址匕较了不同颗粒直径和初始固相浓度时泵内盼固相浓 度分布以及颗粒直径和初始固相浓度对渣浆泵叶轮和泵壳磨损的影响，计算结 果表明：随着颗粒直径、初始固相浓度的增大，叶片工作面和背面以及泵壳内 的固相浓度增大，同时也增加了叶轮和泵壳的磨损。但当颗粒直径和初始固相浓 度都增加到一定值时，泵壳内的固相浓度将不再增加，此时颗粒直径和泵壳形状 是影响蜗壳磨损的主要因素。文械3 岳4 0 】描述了两相流对离心泵泵壳的壁面磨 损量的数值预测方面的研究等。徐振法、王银凤等【4 】描述了颗粒直径和颗粒体 浓度对杂质泵的扬程和效率的影响规律，研究表明，随着颗粒直径和颗粒体积 浓度的增加，杂质泵的扬程增加，杂质泵的水利效率也是增加的。文献 4 2 4 7 研究了颗粒的直径、体积浓度和颗粒密度的不同对离心泵的扬程、效率及轴功 率的影响规律，还包括了离心泵的内特性的影响，即压力、速度和颗粒分布等。 上述对固液两相流内的颗粒直径、颗粒体积浓度和颗粒密度对泵的外特性 l o 武汉理j ：人学硕卜学位论文 的影响规律，均是通过实验或是经验给出的定性分析，而本文希望能在前人的 摹础上，采用田口方法，给出相应的定量的分析。文献1 4 8 5 0 l 提供了田口方法 的应用实例，对本文的试验设计和结果分析有很大的指导。 b 泥泵内非定常的研究 另外，疏浚工程中，离心泵因工况变化、结构设计以及叶轮与泵壳的动静 涉等因素造成运行时叶轮内部流场在空问上表现为非对称、泵在时间上表现 为非定常性，这种非定常性表现为叶轮、泵壳的压力脉动，这种压力脉动容易 引起泵的不稳定性，同时由于压力脉动使泵的内外压差不断变化，也促使了泵 壳的变形，不利于泵的运行。文献 5 1 5 8 1 模拟了离心泵内部存在的压力脉动。 r s p e n c e 等【5 9 6 2 】总结离心泵内部各部位存在的压力脉动。对泵内非定常性的研 究虽然可以更加真实的表现泵内的流动特性，但是模拟泵内非定常性对计算机 的性能要求很高，计算量也远高于定常性模拟，所以综上目前对泵内进行定常 性研究更具有现实意义。 1 3 泵壳变形的研究 泵壳作为泥泵的关键易损部件，在泵的内外存在压差时会导致泵壳的变形。 关醒凡教授【6 3 】对泥泵泵壳的变形有一定的阐述，他是将泵壳进行一系列的简化 假设，得出泵壳变形的可能性，主要取决于环形部分的变形，因为它是泵壳结 构上最“柔软“的部分。何景润、孙晋吲删采用有限元软件a n s y s 对泵壳应力应 变进行模拟，在变形许可范围内减小泵壳壁厚达到泵壳的优化，模拟过程中泵 壳内部的压力采用的均压，方向垂直内表面。王丰收f 6 习对某型号离心泵的泵壳 的壁厚进行重新核实和设计，在满足泵壳强度和刚度的前提下，而不使泵壳产 生变形时的最小最安全壁厚。周俊、侯友夫【删是以泵壳的壁厚优化为目的，采 用a n s y s 软件对泵壳的应力应变进行模拟分析，泵壳内壁面采用均压的结构方 式。王洋、刘哲【67 l 同样是以优化泵壳壁厚为目的，但是作者对泵壳内表面的压 力采用的是，先用流体力学软件f l u e n t 进行流体模拟，得到相应工况下的泵 壳内部的压力分布，将其作为结构分析时的内载荷，采用的导入方式是将泵壳 内壁面分为许多小面域单元，假定每个面域单元内的压力大小一样，方向是垂 直壁面，近似模拟泵壳内壁实际压强场的分布情况：同时也得到了易破坏部位 分别为泵壳隔舌与环形部分最大尺寸轴面处，这与关醒凡教授的结论很符合。 蒋小平、施卫东【6 8 】开发了一种基于涡壳式泵的泵体强度的程序设计。上述文献 武汉理| i ：人学顺士学位论文 多是通过修j f 泵壳的壁厚来校核泵壳的强度，通过有限元软件对泵壳的应力应 变进行模拟，最大变形出现在泵壳的最犬轴面处，这里面也有个进步就是在对 泵壳内壁施加载荷时是从原来的内壁均堰上升到了采用小面域泫，这也为本为 对变形的研究提供一定的借鉴。m o n ag o l b a b a e ia s l 6 9 1 对实际中已经失效的离心 泵的泵壳，对其进行模型的生成，静念结构分析以及尺寸修正。l i e n a uw ， w e l s c h i n g e rt h 7 0 】对h p d m 泵的变形进行了有限元分析，d a i s u k ek o n n 0 1 7 1 1 对 由于泵壳的变形而造成的双吸离心泵的轴向位移进行了分析研究，p e n g g u a n g j i e t 7 2 】主要通过有限元模拟大型挖泥离心泵的泵壳的应力应变，对泵壳强度 进行研究，g u os h u nw a n g 等f7 3 】应用a n s y s 软件对混流泵泵壳进行了模拟。 上述虽不是直接研究泵壳工作中的变形，但是却对变形的研究给了一定的指导 作用，但是不足的是，施加在泵壳内壁e 的压力是使用的平均压力，使模拟出 来的结果与实际有一定的差别。唐立新| 1 川、孙宝全【75 1 等基于流体动力学c f d 和 有限元软件a n s y s 对叶轮的叶片进行强度校核，这种方法更能体现叶片表面的 压力分布，同时对生产实际有更大的应用价值。基于以上对卅轮强度的研究， 是通过流体力学分析与有限元软件相结合的方式，使得得到的结果更加贴合实 际，这使得对泵壳内部的变形研究的方法提供了指导和借鉴。 总体而言，国内外对离心泵泵壳的内部流场的模拟不断在完善，对反映真 实的内部流体的流动规律起到了积极促进作用，对泵壳的结构设计日渐成熟。 但是，专门针对泥泵泵壳的变形的研究很少，在疏浚工程中，由于叶轮与泵壳 的动静干涉以及泵在结构上的非对称性，会使泵的内外压随时间不断变化，这 使得泵壳处于不断的外张内缩的变形状态，同时由于泵壳的磨损，使得泵壳内 壁的减薄，也加速了泵壳的变形，如果泵壳变形出现超差，不仅会降低效率， 同时也会加速各部件之间的磨损以及不稳定性，而且由于河流中各处的泥沙性 质有很大的不同，急需了解泥沙性质对泵壳变形的影响规律。所以研究泵壳的 变形规律以及颗粒性质对泵壳变形的影响是势在必行的，不仅对泵壳的变形提 供了预测，也对泵壳的结构和刚度的优化提供了技术参考和方案设计，同时， 探索不同颗粒性质对泵