（流体机械及工程专业论文）离心式低浓纸浆泵压力脉动的研究及数值模拟.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 离心泵结构简单、运行可靠、效率也比较高，被广泛应用于冶金、 造纸、排灌等各行业。在造纸业中，随着人们对纸张质量和产量日渐 高标准的需求，工艺流程中越来越多的采用低脉冲泵，低脉冲泵可以 很好的降低泵出口的压力脉动。 基于这样的发展背景，本文重点对离心泵的压力脉动进行了理论 分析，并且提出了改进方案和优化措施。同时采用数值模拟的方法对 离心泵内部三维流动进行了计算，数值计算结果预测了优化措施的可 行性，并为低脉冲纸浆泵的进一步发展提供了参考。本文主要工作和 研究结果如下： 1 通过分析离心式纸浆泵叶轮内外的流动状况，研究压力脉动 的产生机理，得出其主要影响因素为汽蚀、回流、涡流、叶轮叶片以 及蜗壳隔舌的相互干扰等。 2 分析降低离心泵压力脉动的主要途径，并从过流部件水力设 计的角度，提出了优化叶片排序方式、改变叶轮叶片形状、增大基圆 尺寸、改变隔舌构型等优化方案，理论分析这些优化方案的可行性及 其对降低压力脉动的意义。 3 对离心泵内部流场建立三维流动模型。由于计算区域模型的 复杂性，选择在p r o e 中建模，并导入g a m b i t 进行网格划分。考虑叶 轮和蜗壳内部不同的流动，最终采取对模型分区进行网格划分和边界 设置，获得比较满意的网格质量和较快的收敛速度。 4 采用c f d 软件f l u e n t 进行计算模拟。采用r n gk - 占湍流模型， 有限容积法求鳃n - s 方程，在定常求解稳定的基础上，再转为非定常 进行研究，捕捉不同时间和叶轮位置时的各个流动参数。 江苏大学硕士学位论文 5 利用f l u e n t 的后处理功能，导出不同时间和叶轮位置时的出 口压力值，采用o r i g i n 软件绘制出口压力随时间波动的二维曲线图。 6 分析不同优化方案的计算结果，得出叶片交错排列、增大涡 室基圆、设置阶梯隔舌、增加叶片数等方法对降低离心式纸浆泵的出 口压力脉动均有比较好的作用。 7 配置交错叶轮的离心泵，其数值模拟结果与试验数据对比分 析，结果比较吻合，一定程度上体现了数值模拟预测的准确性。 关键字：双吸式离心泵，非定常流动，压力脉动，优化设计，数值模拟 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n t a g e so fs i m p l es 口u c n l r e s t a b l eo p e r a t i o na n dh i l g h e f f i c i e n c y , c e n t r i f u g a lp u m p sh a v eb e i n gw i d e l yu s e di nm e t a l l u r g y , p a p e r m a k i n g ，i r r i g a t i o na n dd r a i n a g e ，c t c i nt h ei n d u s t r yo fp a p e rm a k i n g ， w i t ht h eg r a d u a l l yh i g hd e m a n do fq u a l i t ya n do u t p u to fp a p e r , l o w - p u l s e c e n t r i f u g a lp u m p sa r ev e r yp o p u l a ri nt h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s s ，w h i c h c a nr e d u c et h ep r e s s u r ep u l s eo fo u t l e tc o n s i d e r a b l y t h i sp a p e rh a sm a i n l ya n a l y z e dt h ep r e s s u r ep u l s eo fc e n t r i f u g a l p u m pt h e o r e t i c a l l ya n db r i n g s f o r w a r do p t i m i z e dp r o j e c t s n u m e r i c a l s i m u l a t i o nf o r e c a s t st h ef e a s i b i l i t yo fi m p r o v e m e n t ，a n da l s os u p p o r t st h e f u r t h e rd e v e l o p m e n to fl o w - p u l s ep u m p t h em a i nw o r ka n dr e s u l t sa r e o u t l i n e da sf o l l o w i n g ： 1 b ya n a l y z i n gt h ef l o ws t a t u sp r o d u c i n gi na n do u t o fi m p e l l e ra n d s t u d y i n gt h em e c h a n i s mo fp r e s s u r ep u l s ei nc e n t r i f u g a lp u l pp u m p ，w e c a l lg e tt h em a i na f f e c tf a c t o r so f p r e s s u r ep u l s e ，s u c ha sc a v i t a t i o n s ，b a c k f l o w , e d d yf l o w , s h a p eo fi m p e l l e r , v a n ea n dc a s i n gt o n g u e s ，e t c 2 m a i na p p r o a c h e st or e d u c et h ep r e s s u r ep u l s ea r ea n a l y z e d f r o m t h eh y d r a u l i cd e s i g nf o rp a r t so fw a t e rp a s s i n g ，w eo f f e r e ds e v e r a l o p t i m i z e dp r o j e c t sf o rt h i sp u m p ，s u c ha so p t i m i z i n gt h ea r r a yo fv a n e ， c h a n g i n gt h es i z eo fb a s ec i r c l e ，s h a p eo fi m p e l l e ra n dv a n e ，t y p eo f t o n g n e ，e t c a n a l y z e t h ef e a s i b i l i t yo f p r o j e c t st h e o r e t i c a l l ya n dc o n f i r m i t sm e a n i n g st or e d u c ep r e s s u r ef l u c t u a t i o n 3 t h em o d e lo f3 - df l o wi nc e n t r i f u g a lp u m pi s e s t a b l i s h e d b e c a u s eo ft h e c o m p l e x i t y o fc o m p u t a t i o n a la r e a s ，w ec h o o s e p r o e n g i n e e ra sam o d e l i n gt o o l ，a n dt h e ni m p o r tt h es t p f i l et og a m b i t t op a r t i t i o ng r i d c o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n tf l o ws t a t u si ni m p e l l e ra n d t n 江苏大学硕士学位论文 c a s i n g ，w ed i v i d et h em o d e l i n t ot w oz o n e sa n dh a v ea c q u i r e ds a t i s f a c t o r y 鲥dq u a l i t ya n dq u i c k e rc o n v e r g e n c es p e e d 4 b ym e a n so ft h ec f dt o o l s - f l u e n t 。w h i c hu s ef i n i t ev o l u m e m e t h o dt os o l v et h eg e n e r a ln - se q u a t i o n ，s e v e r a lf l o wp a r a m e t e r sa r e a c q u i r e d t h es i m u l a t i o no f t h i sp a p e ri sc o m p u t e du n d e rt h ea s s u m p t i o n o fs t e a d yf l o w , a n dt h e nt r a n s i tt ou n s t e a d yf l o w , a tl a s tw ec a ng e ta l lt h e p a r a m e t e r si nd i f f e r e n tt i m e sa n dd i f f e r e n ti m p e l l e rp o s i t i o n s t h i sw a y c a nn o t o n l yg u a r a n t e et h ep r e c i s i o n ，b u ta l s ot h es p e e do f c o m p u t a t i o n 5 b yu s i n gt h et r e a t m e n tf u n c t i o no ff l u e n t , w e c a nc a t c ht h e p r e s s u r eo fo u t l e t ，a n dt h e nh a n d l et h ed i g i t a li n f o r m a t i o nb yo r i g i n ；a t l a s tw ec a ng e t2 - dg r a p h so f p r e s s u r ep u l s e 6 a f t e r a n a l y z i n gt h er e s u l t so fa l lo p t i m i z e ds c h e m e s ，w ec a n c o n c l u d et h a tt h es t a g g e ra r r a n g e so fv a n e ，i n c r e a s e dd i a m e t e ro fb a s e c i r c l e ，l a d d e rt o n g u eo fc a s i n g ，m o r eb l a d e so fi m p e l l e ra r ea l lg o o dw a y s t or e d u c et h eo u t l e tp r e s s u r ep u l s eo f c e n t r i f u g a lp u m p 7 r e f e r r i n gt op u m pw i t hs t a g g e ri m p e l l e ra n dc o m p a r i n gt h e r e s u l t so fs i m u l a t i o nw i t he x p e r i m e n td a t a s ，w ec a ng e tar e l a t i v eg o o d r e s u l t t h er e s u l to fc o m p a r i s o ni ns o m es e n s ev a l i d a t e st h ep r e c i s i o no f s i m u l a t i o no f f l u e n t k e yw o r d s ：d o u b l e s u c t i o nc e n t r i f u g a lp u m p ，u n s t e a d yf l o w , p r e s s u r ep u l s e ，o p t i m i z e dd e s i g n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 学位论文版权使用授权书 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，同意学校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。 不保密口。 学位论文作者签名：李御佥 指导教师签名 2 0 蛑i z 月2 牛日2 。d 乒f1 2 月i 争日 杏 么 独创性声明 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：翻印含 日期：沙缉2 月) 4 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1离心式纸浆泵的结构特点和发展趋势 一座现代化的纸厂需要很多台的泵，是纸厂的重要设备。依据作用原理的不 同，各种造纸用泵可分为：容积泵、离心泵、螺杆泵【“、真空泵等。其中离心泵 是一种主要的浆料输送机械，在制浆造纸厂中有着举足轻重的作用。依据输送介 质的不同，离心泵又可细分为：清水离心泵、低浓纸浆泵、中浓浆泵、高浓浆泵、 低脉冲泵、黑液泵【2 】等，但其中担任浆料输送的浆泵占主要地位【3 】【4 1 。 由于纸浆的流动是一种气、固、液的三相流动，流动机理复杂，影响流动的 因素也很多，如浆料的种类、浓度、流动速度、打浆度、温度和纤维形态等都会 对浆料的流动产生影响，关于纸浆的流动机理至今还没有研究透彻。所以，目前 国内生产的离心式纸浆泵大多数为低浓浆泵。但由于纸浆的流动特点，即使是低 浓浆泵，与普通的清水泵还是存在着区别。比如，低浓浆泵必须具有较好的无堵 塞性能和含气输送能力，而这种能力主要是通过叶轮的特殊设计来实现。目前， 低浓浆泵的叶轮结构形式主要有：开式、半开式叶轮；单、双流道叶轮；旋流式 叶轮；螺旋离心式叶轮四种。因此，低浓浆泵也相应地有以下几种形式：( 1 ) 开 式、半开式浆泵；( 2 ) 单、双流道浆泵；( 3 ) 旋流式浆泵；( 4 ) 螺旋离心式浆泵。 ( 1 ) 开式、半开式叶轮： 与普通闭式叶轮相比，特点为：由于去掉了全部或部分盖板，积聚在叶 轮进口的气泡会沿着叶轮与泵盖之间的缝隙扩散，因而含气输送能力提高；由 于叶轮出口较宽，叶片较少，因而防堵塞性能较好；叶轮与泵盖的间隙对泵 的性能影响很大，间隙太小，影响泵的正常运转；间隙太大，流量、扬程、效率 都会随之下降。一般间隙应保持在0 5 m m 左右。但随着输送纸浆浓度的增加， 间隙可适当放大。叶轮与泵盖的间隙会随着泵的长期运行磨损而逐渐加大，为了 保持间隙在要求的范围之内，叶轮与泵盖的间隙常常做成可调节式；纸浆泵 通常要求较陡的流量一扬程性能曲线，这可以通过离心泵的特殊设计来获得，如 取较小的出口安放角及在保证不堵塞的前提下尽可能减小出口宽度等；与普 江苏大学硕士学位论文 通闭式叶轮相同，不能输送大颗粒，长纤维物质。如果叶轮与泵盖之间间隙较小， 并且叶轮型线设计得当，开式、半开式叶轮可得到与闭式叶轮相当的高效率，因 此被越来越多地应用在浓度小于7 的低浓浆料的输送上。 ( 2 ) 单、双流道叶轮： 由于其特殊的大通道叶轮结构，使输送物料的无损性好，防堵塞性能较好， 能输送大颗粒、长纤维物质，因此目前在制浆造纸厂低浓度粗浆输送上得到一些 应用。但它们存在以下缺点：单流道叶轮的防堵塞性能最好，但是由于它的 不平衡性，只能制成小功率的纸浆泵；单、双流道叶轮属于闭式叶轮，含气 输送能力较差，因此一般只能输送浓度小于6 的纸浆。 ( 3 ) 旋流式叶轮： 旋流式叶轮一般置于压水室的泵腔内，叶轮与泵体之间没有配合间隙，防堵 塞性能较好，能输送大颗粒物质，运行平稳可靠。它的含气输送能力较好，可输 送含气率达1 2 的浆料。但它存在以下缺陷：无损性差，对输送物料破坏作 用大，容易使浆料发生性能变化；不适合输送含长纤维物质的浆料；流量 扬程性能曲线较平坦；由于循环流的存在，水力损失较大，泵的效率较低。 ( 4 ) 螺旋离心式叶轮： 螺旋离心式叶轮是离心式叶轮和容积式叶轮的组合，一般由1 片或2 片大包 角开式扭曲叶片组成。由于其结构独特，通过性能好，可以输送含大颗粒、长纤 维物质的液体，输送浆料运行平稳，对浆料破坏性小，无损性好，具有陡降的流 量扬程性能曲线和平坦的功率蓝线，泵的效率高。并且含气输送能力好，可输 送含气率达1 5 的浆料。虽然它制造较困难，但它几乎是性能最好的低浓浆泵。 由于其较好的纸浆输送性能，实际上它已被应用于中浓浆料的泵送上【2 】。 综上所述，各种离心式纸浆泵均有着各自的特点，但由于本课题研究的是浓 度为1 1 5 的纸浆泵，其含气量很低，无赌塞性能也良好，接近于清水，故 采用普通闭式叶轮已足够【5 】。同时，又为了满足浆泵流量比较大的特点，所以采 用双吸式离心泵，其结构简单、高速性好、运行可靠、效率也比较高。但总的来 说，离心泵都存在着压力脉动较大的不利因素，这将会影响到造纸工业中对纸张 质量和产量日渐高标准的需求。尤其在上浆系统中，要求提供的纸料各组分混和 要十分均匀，浓度和流送速度以及到流浆箱的压头要稳定，只允许极小的脉冲。 因此，要求浆泵降低压力脉冲，以较好地解决供浆系统压力脉动对流浆箱喷浆速 2 江苏大学项士学位论文 度的脉动影响，降低纸张纵向定量波动l 【7 1 ，为提高产品质量和产量提供条件。 降低纸浆泵的压力脉动不仅对纸张的质量和产量产生影响，而且发生脉动时 会产生噪声。当发生湍流、液流分离( 涡流状态) 、气蚀、水锤、闪蒸、叶轮与 泵隔舌的互相作用等直接由液体移动产生压力波动时，一般可能激发管线或泵本 生的机械振动，而且会在相邻的环境介质内产生有声压力波动，生成噪声。因此。 在噪声要求高的场合对其有要求 2 1 。 降低纸浆泵的压力脉动不仅符合工艺流程中上浆系统的前提准备条件，而且 会降低噪声，同时提高泵运行的稳定性和使用寿命。 综上所述，结合离心式纸浆泵的结构特点及造纸工艺流程中对低脉冲的要 求，得出具体的、可行的低脉冲优化方案将会是今后研究浆泵的热点之一。由于 课题的重点是离心泵的压力脉动，而低浓纸浆的流动性与清水的相差不大，故对 低浓纸浆泵的研究简化为清水泵研究，再根据纸浆的流动特点加以修正，并通过 实验加以验证。 1 2 低脉冲泵的发展现状及趋势 纸浆泵向低脉冲化方向发展是个必定的趋势。但目前国内外关于低脉冲泵的 研究还处于未充分发展阶段。总的来说，低脉冲泵的研究起始于7 0 年代嘲，最初 的研究是从对水泵气蚀和噪声的研究开始的，主要目标是降低噪声，但降低噪声 的同时压力脉动也很好的降低了，故可得出噪声与压力脉动相互关联的结果。8 0 年代初，日本学者富代裕、近藤正道等人指出，转动着的叶轮同蜗壳隔舌或带有 固定叶片的扩散段之间的扰动会对水泵的压力脉动产生影响。从而低脉冲泵的研 究开始被人引起注意。9 0 年代初，国外的f r a s e r j 盈过研究提出了离心泵的高频脉 动来源于叶轮入口或出口的回流，并得出每个离心泵在流量突然下降时均会发生 这种情况。国内清华大学的吴仁卿、刘冀生等人曾把压力脉动作为随机信号来研 究。以及清华大学的吴玉林教授和徐朝晖博士研究了高速离心泵非定常情况下的 压力脉动9 】【10 】【n l ，得出了很好的频谱分析图。最近几年，清华大学的刘树红、邵 奇、杨建明等也对三峡原型水轮机进行了非定常湍流计算f 1 2 】【1 3 】，研究了其压力 脉动，得出水轮机尾水管为压力脉动和噪声的最大因素。上海交大的严民汇、陈 建平等研究了压力脉动对泵能耗的影响。总之，随着时代的发展，人们愈来愈重 视脉冲对泵的不利影响，进而对低脉冲泵的理论研究也逐渐发展。 3 江苏大学硕士学位论文 一般的理论分析主要从改善运行工况和优化水泵设计方面入手，通过分析压 力脉动的产生机理，找出影响脉动的因素，提出改进措施，从而来实现泵的低脉 冲要求。也有一些采用隔振原理和脉动衰减装置来降低泵的压力脉动。但这些装 置主要针对的是泵机械方面的因素，而真正研究流体的压力脉动必须通过设计优 化方案来达到。 关于低脉冲泵的产品，目前比较典型的有： 国内：s j 型上浆泵，就是一种效率高、纸浆稳定、使用寿命长，检修方便， 适用于中、高速纸机供浆系统的配套，使用温度在8 0 c 以下，浓度在1 以下的 成浆输送的低脉冲泵。t w p 型低脉冲泵，采用了国内外首创的双轴面流闭式叶轮， 在叶轮入口处水流分成两段，每个流道只有泵流量的一半，减少叶轮的出流冲击， 降低脉动幅度。在叶轮出口处，两个流道的叶片口边错开均匀分布，并选择尽可 能多的叶片数，最大限度地减少压力脉动。 国外：瑞典的a b s 冲浆泵设计独特的叶轮和其他一些设计特点，均满足了低 脉冲这一严格的特征要求，而且效率高、结构坚固、维修简便。其中的z 2 2 系列 低脉冲泵拥有对开式泵壳和双吸叶轮，适用于大流量的大纸机冲浆泵。而其b a 系列则是适用于中小型纸机的低脉冲泵。芬兰的奥斯龙生产的冲浆泵，也是经过 对叶轮进行独特设计、叶轮与隔舌之间保持一个合适距离、设计v 型隔舌等来使 压力脉冲降至最小，是个高质量、高效率的低脉冲泵。 总的来说，目前的低脉冲泵研究还处在清水泵的阶段上，对于输送纸浆浓度 为1 1 5 的上浆泵，我们可以在清水研究的基础上再根据纸浆的流动特点加 以修正，再通过c f d 进行数值模拟，最后实验研究加以对比验证。 1 3c f d 技术在离心泵设计和内部流场计算中的应用 通常研究流体流动的方法有理论分析、实验测试和数值模拟三种。对叶轮机械、 喷管、管道等内部流动实验测量时，要求的实验装置复杂庞大且实验成本较高，研制 周期长，因而使实验研究受到了很大的限制。而数值模拟将以其自身的特点和独特的 功能，与理论分析及实验研究一起，相辅相成，逐渐成为研究流体流动的重要手段，并 形成了新的学科计算流体动力学( c f d , c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 。 由于c f d 是以理论流体力学和数学分析方法为基础，以计算机为工具，针对 流动现象的控制方程，利用数值模拟的方法得到流动现象的数值解或近似解的应 4 江苏大学硕士学位论文 用性学科 1 4 】，所以与传统流动测试方法相比，c f d 具备速度快、数据完整、 费用低、能够模拟真实和理想条件等显著优点。近年来，随着高速、大容量、低 价格计算机的相继出现，以及商品化软件包，如f l u e n t ，s t a r - c d ，p h o d c s ， f l o t r a n 等的涌现，c f d 方法的可靠性、准确性、计算效率得到很大提高。这 样，对于一般性的工程流动问题【1 6 】，专业研究人员能够轻松地进行数值计算，从 编制复杂、重复性程序中解放了出来，以更多的精力投入到考虑所计算问题的物 理本质、问题的提法、边界或初值条件和计算结果的合理解释等方面，这从理论 上为解决实际工程问题开辟了新道路。所有这些均展示了采用c f d 方法用计算机 代替试验装置和“计算试验”的现实前景。 c f d 方法具有初步性能预测1 6 1 、内部流动预测、数值试验、流动诊断等作 用【1 5 1 。在设计制造流体机械时，一般的过程为设计、样机性能试验、制造。如果 采用c f d 方法通过计算机进行样机性能试验，能够很好地在图纸设计阶段预测流 体机械的性能和内部流动产生的漩涡；二次流、边界层分离、尾流、叶片颤振等 不良现象，力求将可能发生故障的隐患消灭在图纸设计阶段。 对叶轮机械内流的计算，早在上世纪4 0 年代末5 0 年代初，就有人采用数值 计算方法来预报离心压气机叶轮的无粘流动。但具有完备形态的内流数值模拟， 一般认为始于吴仲华教授的s i s 2 两类相对流面理论后，叶轮机械内流无粘数值 模拟才获得迅速发展。至7 0 年代，无粘数值模拟已达到相当高的水平，并陆续 应用于工业设计中。7 0 年代中期以后，考虑真实流体粘性效应的数值模拟受到 人们的重视。自8 0 年代以来，离心泵叶轮内流的计算有了较大的发展。1 9 8 6 年， t a n a b e 等用原始变量方法、有限元离散，数值计算了离心泵叶轮内部三维素流流 动；1 9 8 9 年，e w a l ds t e c k 等采用速度涡量方法，有限差分离散，数值计算了一 离心泵叶轮内部三维层流流动；1 9 9 2 年，s h iq i n g p i n g 等和g o e d e 等先后发表了 离心泵叶轮内的二维、三维粘性流动计算结果。1 9 9 4 年，戴江、吴玉林等在离 心泵叶轮内两相流动的数值模拟上做了可贵的探索。但是，与燃气轮机、压气机 等叶片式流体机械相比较，由于离心泵叶轮内部粘性流动数值模拟起步较晚，还 正处在探索和发展之中。 综上所述，人们借助计算机对流体机械内部的流动进行数值模拟已经成为可 能，c f d 方法将在一定程度上模拟取代实验，以达到降低成本、缩短研制周期的目 的，并且数值模拟可提供丰富的流场信息，为设计者设计和改进流体机械提供依 江苏大学硕士学位论文 据。因此，人们深信c f d 方法是现在和未来研制流体机械必不可少的工具和手段， 它使设计者以最快、最经济的途径，从流体流动机理出发，寻求提高性能的设计思 想和设计方案，从满足多种约束条件下获取最佳的设计，可以说c f d 方法为流体 机械设计提供了新的途径。 1 4 本课题研究的主要内容和意义 人们对离心泵的研究很多，但主要着重于对叶轮叶片的优化设计，对于蜗壳 和叶轮耦合的整机效率影响研究较少。本课题研究的是离心式低浓纸浆泵的压力 脉动，我们需要的是泵出口能获得平稳的出流，因此，仅仅针对叶轮叶片的优化 设计是不够的，着手研究叶轮、蜗壳耦合之后对压力脉动的影响才更切于实际。 鉴于c f d 的多处优点【嘲，我们在纸浆泵压力脉动的研究中，采用数值模拟的研究 手段。本课题中为了加快计算结果收敛，但又保证精度的情况下，c f d 模拟先基 于定常条件假设下，等流动介质流场分布稳定之后，再转为非定常条件进行研究， 这样会得到不同时间点的状态分布情况，然后我们可以通过这些时间点所提供的 各个参数，分析比较，得出结果。由于纸浆浆液流动的特殊性和复杂性【5 1 ，所以 本文研究的离心式低浓纸浆泵中的流动介质采用清水来代替模拟。这和真实的低 浓浆液虽然有一定差异，但对于推断低浓浆液流动差别不大，而对于实际中具有 一定浓度的浆液流动也会有很好的借鉴作用。同时对完善和优化纸浆泵设计、提 高冲浆和上浆前的低脉冲效果、实现高质量的纸张生产具有很好的参考作用。 本课题以双吸的离心泵为研究对象，从具体的某个模型展开分析研究。通过 改变叶轮叶片和蜗壳隔舌的设计参数来达到降低离心泵压力脉冲的效果。研究的 主要内容如下： ( 1 ) 分析离心式纸浆泵内压力脉动的产生机理，得出压力脉动的影响因素； ( 2 ) 分析降低压力脉动的主要途径，提出针对该泵的优化方案( 比如改变 叶片形状、隔舌构型，优化叶片排列等) ； ( 3 ) 原始的和优化的泵分别进行p r o e 三维造型和f l u e n t 计算模拟，捕 捉最后的出口压力变化情况； ( 4 ) 计算结果互相比较，最后得出最优参数设计方案； ( 5 ) 模拟计算的结果与实验数据对比分析，验证优化方案的可行性。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章离心式纸浆泵的压力脉动特性分析 纸张定量波动问题是长期以来造纸工作者关注的一个重要课题，随着涂料纸 种的迅速发展和对纸张质量日益严格的要求，纸张的纵向定量波动日渐成为造纸 过程中一个突出而棘手的问题【6 胴。造成纸机纵向定量波动的原因虽然很复杂， 但供浆系统的压力脉动是其主要原因，压力脉动的表现形式为纸料流体的压力和 速度波动。供浆系统的压力脉动来源于组成系统的主要设备，如泵、旋翼筛等的 压力脉动 甜。本课题正是着手于研究纸浆泵的压力脉动特性。 如前所述，纸浆泵的压力脉动不仅会对纸张的质量和产量产生影响，而且发 生脉动时会产生噪声，同时影响泵运行的可靠性和使用寿命。因此，对纸浆泵内 压力脉动的研究显得极为重要和紧迫。 2 1离心式纸浆泵压力脉动的产生机理 我们研究的是浓度为1 5 以下的低浓纸浆泵，该浓度下的纸浆流动特性与 清水比较接近，所以可以先在清水泵的基础上分析泵内的流动【l ”。图2 1 所示是 泵叶轮内外的流动状况，流线所示数字是流动过程的示意图【2 j 。 图2 - i 泵叶轮内外的流动状况 1 一脱流；2 一回流；3 一循环流：4 一泄漏； 5 一不稳定流波动；6 一涡流；7 一湍流；8 一汽蚀 叶片由于加工及安装等原因不可能有完全相同的形状和安装角，同时流体的 来流方向也不会完全均匀。因此，当运行工况变化而使流动方向发生偏离时，在 7 江苏大学硕士学位论文 各个叶片进口的冲角就不可能完全相同。随着流量的减少，如果某一叶片进口处 的冲角达到临界值时，就首先在该叶片上发生脱流，而不会所有叶片都同时发生 脱测1 8 】。脱流一般发生于叶轮的入口和出口。在叶轮进口和出1 ：3 ，由于高速旋转 及内外相对速度之间高剪切速率的影响，还极易产生回流现象【1 9 】【2 0 】。在叶片的 中部还可能发生循环流，循环流的存在会造成泵效率的降低。由于盖板和泵固定 件之间不可能达到完全密封，所以泄漏情况也不可避免会发生。不稳定流情况可 能发生于叶轮出口周围，也可能发生于装配件之间的间隙中。涡流常发生于叶轮 的出口。叶轮进口可能会有轻度的湍流发生，但在叶轮出口之外，甚至蜗壳出口 才是真正充分发展的湍流区。流体在流动过程中，气泡溃灭导致的冲击称为汽蚀， 一般发生于叶轮入口和叶轮出口周围【2 】。 综上，湍流、脱流、汽蚀、回流、涡流、叶轮与泵隔舌的互相作用等，都是 可能的流体动力源，都可能引起液体的运动，从而产生压力波动 2 1 。这样的压力 波动，还可能激发管线或泵本身的机械振动，在相邻的环境介质内产生有声压力 波动，生成噪声。 2 2 离心式纸浆泵压力脉动的影响因素 基于对离心泵内压力脉动产生机理的分析，可以总结出汽蚀、回流、涡流、 叶轮叶片与隔舌的参数等四种因素是导致压力波动主要影响因素。 2 2 1汽蚀对离心式纸浆泵压力脉动的影响 泵汽蚀的主要原因是由液体中产生的气泡引起的。液体旋转通过离心泵，由 于叶轮的加速作用及气流的分离作用等，压力会减小。当液体压力降至汽化压力 时便会产生气泡，随着气泡移动到高压区时的溃灭，气泡周围的介质一齐向气泡 中心冲击，这样的冲击不仅会导致速度和压力的波动，也会产生噪声，造成泵的 腐蚀。如图2 1 ，从液体的整个流动过程可以看出，汽蚀可能发生于叶轮的入口、 内部和出口。无疑地，这样的汽蚀对流经泵的浆液是很有压力脉动影响的。 2 2 2 回流对离心式纸浆泵压力脉动的影响 回流是由于液体在叶轮叶片的入口和出口发生分离而引起的逆向流动。所有 叶轮都有一个出现回流的临界流量。回流可以控制，但不能消除【18 】【1 9 1 。一般地， 叶轮内的回流有叶片入口回流和叶片出口回流。 江苏大学硕士学位论文 图2 _ 2 叶片入口回沉和出口回流 入口回流和出口回流分别是指叶轮吸入口和叶片出口叶稍流量的回流。如图 2 - 2 所示，由于叶轮的高速旋转以及叶片内外相对速度之间高剪切速率的影响， 在叶轮的入口和出口处均会产生一股旋流，旋流的形成和破裂，不仅导致汽蚀， 也产生压力的极大波动。 2 2 3 涡流对离心式纸浆泵压力脉动的影响 由于流场里高速和低速区之间的边界层互相作用，大部分非稳定的流型会产 生涡流，如图2 1 的6 所示。当涡流冲击侧壁时，涡流，即涡旋就转化为压力波 动，会引起管路或泵部件的局部振荡 2 1 。同时，管路系统的有声响应也可能强烈 地影响涡流扩散的频率和幅度。当系统有声的共鸣与噪音源的发生频率一致时， 涡流是最强烈的。在纸机的上浆系统中，在对纸料组分、浓度、流送速度以及压 头都有很高的要求且只允许较小脉冲的情况下，这种涡流是要极力控制的。 2 2 4 叶轮叶片和隔舌参数对离心式纸浆泵压力脉动的影响 参考文献 2 】【2 1 】 2 2 】，s u d o ，k o m a k s u 和k o n d o 曾研究了由于叶轮出口叶片和 隔舌之间相互干扰使离心泵内产生压力脉动的情况。泵的几何形状规定了叶轮外 径d 2 和壳体隔舌之间的间隙g ( 见图2 3 ) 。而据研究，改变g d 2 和斜比( 隔舌或 叶轮叶片的斜度) 将影响出口脉动。( 斜比= 导1 0 0 ) 9 江苏大学硕士学位论文 叫l 。 - 、 紫氐 斗心移 图2 - 3 叶轮外径和壳体隔舌示意图 所以，我们可以通过改变泵的几何形状来达到降低出口压力脉动的效果。由 图2 4 我们可知，随着排出量的增加，加大g d 2 和斜比会减小脉动和噪声的幅度。 捧i t l t t 【莰口， 图2 4 蜗壳隔舌和叶轮叶片形状对压力脉动的影响( 文献2 ) 2 3 改善离心式纸浆泵压力脉动的措施 根据前面阐述的压力脉动的影响因素，因此我们也可以分别从四个途径来实 现压力脉动的降低。 2 3 1 提高抗汽蚀性能 参考了文献 2 1 1 2 3 1 e 0 叶片参数对汽蚀的影响，我们可以从水力设计方面来改 进，从而提高叶轮抗汽蚀性能【2 4 】圜，比如，增大叶轮进1 ：3 直径，降低叶轮进口 流速；增加叶轮进口压力；叶轮进口边尽可能往前伸；设计合理的叶片进口安放 1 0 捌隶赣埔- 毯蹿稃蕾r坦 江苏大学硕士学位论文 角；安排合理的叶片数；减小叶片进口厚度；型线符合流线型，从进口到出口安 放角变化应均匀；扬程余量设计不要偏大，避免负冲角，形成脱流。 2 3 2 控制进口回流 由于系统的变化等原因，使得泵经常运行在非设计工况，如小流量工况。泵 在小流量工况下运行时，在叶轮入口会出现回流现象。这种现象出现时还伴随着 小涡列，以及相应的压力场和速度场变化。若与气蚀同时出现时，更会导致剧烈 的流量和压力波动。 因此，及时控制回流对降低纸浆泵压力脉动的研究有现实意义。通常可通过 在叶轮入口强制加入与叶轮同向或反向的旋转流动f 2 6 】，来重新组合叶轮入口的流 动结构，达到限制和延缓回流的目的。 2 3 3 减弱出口涡流 在叶轮出口附近，背面存在涡流。涡流的相对流速较周围流体低。对于离心 叶轮，无论是最优工况还是小流量工况，叶轮出口附近都存在涡流。涡流位于前 盖板背面拐角处。由最优工况变到小流量工况时，涡流的范围逐渐扩大。在圆 周方向涡流范围不超过流道圆周宽度的4 0 ，在叶片宽度方向涡流范围不超过叶 片宽度的5 0 2 1 。 研究证明，即使在最高效率点附近，叶轮通道内的流动基本上还是由相对速 度较小、旋转滞止的涡流区以及近似无粘性的射流区组成。因此，最直接的减弱 涡流的办法便是使工作流量不要偏离设计流量太多。 2 3 4 改变叶轮叶片和隔舌参数 研究了叶轮与隔舌的互相作用，以及其产生压力脉动的原理，我们可以通过 改善离心泵叶轮以及泵隔舌参数来降低脉动影响： ( 1 ) 优化叶轮与隔舌的间隙g 根据文献 2 】，一些研究者认为，当隔舌直径与叶轮外径成2 ：1 时会最优运 行；如果未知隔舌直径，则凭经验建议优化叶轮直径的选择，叶轮直径不超过最 大直径8 5 。 ( 2 ) 改变叶轮叶片和隔舌形状 f o r j a n e i e s e h o f f l e r 和z o g g 的报告说明了离心泵叶轮叶片和隔舌形状对声压 江苏大学硕士学位论文 级，泵扬程和效率的影响。图2 5 【2 】所示是各种叶轮叶片与隔舌形状对1 0 0 流量 下声压级、压头和效率变化的影响。 默黯翳鑫鞠黧豳 叶轮叶片时轮叶片各皇耍嚣一叶片叶轮叶片 图2 - 5 各种叶轮叶片与隔舌形状对1 0 0 流量下声压级、压头和效率变化的影响 图2 5 说明了不同的叶轮叶片和隔舌形状对压头和效率是有影响的。又据文 献2 7 中，作者指出了蜗舌与叶轮间隙大小、蜗舌形状及位置、圆弧蜗舌半径大 小等均可作为独立的变量影响离心风机的噪声，同理，只要优化参数之间的匹配， 我们也定可以找到那组使纸浆泵压力脉动最低的参数组合。 据文献2 8 ，作者把传统的蜗舌风机与改进后的阶梯型蜗舌风机进行了对比， 得出改进后的蜗舌对于风机的降噪起到了很好的效果，同时也得出了蜗舌附近较 为均匀的速度场和压力场。由此我们也可以把这样的想法应用到离心泵的设计 中，在保证泵效率不变的情况下，降低压力脉动。 除此，为了减轻脉动和噪声，双吸叶轮应交错排列叶片。这就使每一半叶轮 流出液流的波动互相抵消，从而减轻了泵出口的脉动【2 1 。 所以，从改变叶轮叶片和隔舌参数的角度出发来降低纸浆泵的压力脉动会是 2 l o 吐口4 4 2 o 2 4 6 8 q球坦。蕾p，等牮盘譬避k 江苏大学硕士学位论文 一个有效的途径。 综上所述，纸浆泵压力脉动的产生原因有汽蚀、回流、涡流以及叶轮叶片与 隔舌的相互干扰等。由于汽蚀影响更偏向于对材料的腐蚀，回流可通过设置强制 预旋来降低，涡流的减弱办法是尽量工作在设计流量下，所以，本课题研究的重 点放在改变叶轮叶片形状和隔舌参数上。通过优化叶轮直径选择、采用阶梯型蜗 舌、双吸叶轮交错排列等途径。在保证了效率的前提下得到均匀的速度和压力场， 降低脉动和噪声。 江苏大学硕士学位论文 第三章c f d 技术在改善离心式纸浆泵压力脉动中的应用 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是通过计算机数 值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所作的分 析【2 9 】。c f d 的基本思想为：把原来在时间及空间域上连续的物理量的场，如速 度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原 则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数 方程组获得场变量的近似值。 参考文献 3 0 【3 1 】 3 2 】【3 3 】 3 4 】 3 5 】，c f d 方法其实可以看作是在流动基本方 程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程) 控制下对流动的数值模拟。 通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理 量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布，以及这些物理量随时间的变化情况， 确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。还可据此算出相关的其他物理量，如 旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率等。而且，c f d 方法优于单纯的理论 分析和单纯的实验测试，适应性强，应用面广，在空间和时间上都节省了资源。 c f d 方法在计算机上实现一个特定的计算，就好像在计算机上完成了一次物理 实验。所以，在本课题纸浆泵压力脉动的研究中，采用c f d 数值模拟方法来求 解，可以省钱省时地获得较为详细和完整的资料。 所有的c f d 软件包括三个基本环节：前处理、求解和后处理，所以与之对 应的程序模块常称前处理器、求解器、后处理器。在此，结合c f d 解决问题的 关键步骤，本课题整个数值模拟过程采用图3 1 所示这种程序结构，建立反映课 题问题的数学模型，并对泵内部流动进行数值模拟计算，最后再对计算结果作出 处理和分析。 1 4 江苏大学硕士学位论文 图3 - 1 数值模拟程序图 3 1p r o e 三维实体建模 f l u e n t 自带的前处理模块g a m b i t 具有实体造型的功能，对于不太复杂 的几何模型，一般可以在其中完成几何建模。但对于复杂的c f d 问题，特别是 三维c f d 问题，g 舳i t 并不是很有效，这时，需要借助专用c a d 软件来完 成几何建模。而p r o e 是具有c a d c a e c a m 功能的大型工程软件，它有着功能 强大的专用模块，涉及工业设计、功能仿真、加- r 带, j 造等各方面【3 6 1 ，为设计者提 供了全套的解决方案。参考文献3 7 ，考虑其对零部件三维实体建模的方便性和 优越性，又鉴于本课题泵全流道几何特征的复杂性，我们采用p r o e 进行三维实 体建模，然后再导入g a m b i t 中进行网格划分。 本课题研究的是一双吸的低浓纸浆泵，但由于纸浆流动浓度极低，故工作介 江苏大学硕士学位论文 质先以清水考虑。泵的基本参数为：流量q = 4 8 5 m 3 h ；扬程h = 4 0 0 m ；转速 万= 1 4 5 0 r r a i n ；叶片数z = 8 2 ，两边对称错开；叶轮进口直径d l = 中1 8 0 m m ， 出口宽度b 2 为2 2 1 1 2 蚴；蜗壳进口宽度6 3 = 1 1 0 m m ，排出口直径d z = 巾 2 0 0 m m ，出口到轴心的距离为4 0 0 m m ，叶轮到前盖板的间隙宽度为o 5 m m 。三 维实体造型如图3 - 2 、3 - 3 所示。 叶轮旋转轴为z 轴，轴面为x 、y 平面，垂直于叶轮进口平面，流体在泵内 旋转方向为z 轴方向。 图3 - 9 叶轮实体造型 图3