含沙水在离心泵内部流动的特性研究

【摘要】黄河流域有许多大型提灌工程,灌溉面积广阔,对发展农牧业生产发挥着巨大作用。由于双吸离心泵运行流量大、扬程高、工作性能稳定等特点,被广泛应用于引黄提灌工程中。由于黄河水流中存在大量的泥沙,泥沙对离心泵的过流部件以及泵会造成严重的磨损破坏,导致离心泵出水流量下降、扬程和效率下降、能耗升高,严重影响离心泵的安全和稳定运行。引黄提灌泵的主要磨损破坏部件为叶轮,叶轮的主要破坏位置为叶片进口、出口以及个别叶片的中间位置,破坏的形式为划痕、叶片厚度减薄以及叶片材料脱落出现凹坑,严重时出现穿孔,致使泵的扬程、效率降低或出现振动等现象,破坏维修工作量大,资源耗费较高,严重阻碍了灌溉作业。本课题以计算流体动力学为基础,通过Fluent数值模拟软件对某双吸离心泵进行内部流动的数值模拟。应用Pro/E软件对离心泵内部流道进行三维实体建模,选用ICEM软件进行模型的网格划分,利用Fluent软件提供的SIMPLEC算法和标准的k-ε湍流方程进行离心泵内部流动的数值模拟。分别模拟计算了清水、含沙水下相同沙粒粒径和不同体积分数、不同粒径和相同体积分数等在五个不同工况下离心泵叶轮内部流动的固液两相流流场；依据五个不同工况下模拟计算的速度场和压力场分布,分析叶轮内的流动特性；分析工作介质的变化对双吸离心泵性能的影响；滑移系数的变化规律和对叶片的磨损机理；并得到以下主要结论：(1)清水和含沙水时的滑移系数随着流量的增大而逐渐减小。含沙水中体积分数是影响滑移系数的主要因素,随着体积分数的增大滑移系数迅速减小；粒径对滑移系数的影响较小,随着粒径的增大滑移系数也在缓慢减小。(2)清水时叶片进口处的破坏主要是由于汽蚀的作用。叶片进口处存在局部低压,压力值较低容易产生汽蚀；小流量时叶片进口靠近吸力面出现漩涡,大流量时叶片进口靠近压力面出现漩涡,漩涡强度与流量有较大关系。(3)含沙水时叶片进口磨损破坏位置与清水时相同。小流量含沙水时叶片进口吸力面的磨损破坏为靠近前盖板处由紊动冲击引起,靠近后盖板处为汽蚀破坏;大流量时叶片进口压力面的破坏为靠近前盖板处由紊动冲击和汽蚀破坏的联合作用。含沙水中沙粒的体积分数是造成紊动冲击幅度增大的主要因素,体积分数越大叶片进口的漩涡强度越大,沙粒粒径对漩涡强度也有一定的影响。通过本课题对含沙水在离心泵内部流动的特性研究,可以帮助分析叶轮内固液两相流的流动规律,主要探讨含沙水对离心泵的特性影响,为以后引黄提灌泵的设计与改进提供一定的依据,改善叶轮的性能和进一步深入研究离心泵内部的含沙水流动变化机理提供一定的依据,对于减小含沙水流对叶轮的磨损破坏问题具有重要的理论意义和应用价值。
【作者】葛靖国；
【导师】赵万勇；
【作者基本信息】兰州理工大学，流体力学，2014，硕士
【关键词】离心泵；内部流动；滑移系数；磨损；数值模拟；

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