后掠式軸流泵固液兩相流特性與試驗研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，城市污水處理用泵的需求量每年均在增加，污水軸流泵作為污水處理用泵的一種類型也具有較大的需求量，目前軸流泵中絕大多數(shù)的葉輪設計都是以清水介質(zhì)為前提的，這樣的設計會使泵在實際工作中，葉輪部件磨損嚴重，葉輪上容易纏繞異物并引起流道堵塞等問題。因此為了適應實際輸送污水介質(zhì)的要求，現(xiàn)有的軸流泵葉輪需要進行重新設計和修改。
　　本文是在國家科技支撐計劃項目“高效環(huán)保用泵關鍵技術研究及工程應用（項目編號2011BAF14

2、B01）”等的資助下完成的。本文采用南水北調(diào)工程中編號為TJ04-ZL-02軸流泵葉片的同比例縮放模型為原型葉片，研究分析了葉片后掠和后掠角度對葉輪內(nèi)固液兩相流的影響，應用PIV試驗技術對葉輪內(nèi)流場進行了試驗研究，并且使用高速攝影技術對棉線在葉輪內(nèi)的運動情況進行了研究，驗證了后掠葉輪具有良好的防纏繞性能，主要的研究成果和結(jié)論如下:
　　(1)在只改變?nèi)~片進口邊后掠角度而其他因素都不改變的條件下，本文設計了后掠式葉輪結(jié)構(gòu)，并使用CF

3、X有限元分析軟件分別對原型葉片和后掠角度為40°、65°、90°后掠葉片的軸流泵流道進行了全流場固液兩相流數(shù)值模擬。數(shù)值模擬結(jié)果表明:葉片后掠角度越大，葉片壓力面上固相體積分數(shù)越小;葉片后掠角度越大并且葉輪流場內(nèi)固相的徑向流動越明顯，固相顆粒就越難撞擊到葉片壓力面上，反之固相顆粒則越易撞擊到葉片吸力面上;顆粒直徑越大，后掠葉片壓力面上固相體積分數(shù)越大，而葉片吸力面進口邊靠近輪轂處的固相體積分數(shù)增加;顆粒初始體積分數(shù)越大，后掠葉片壓力面上

4、固相體積分數(shù)減少，葉片吸力面上固相體積分數(shù)增加。葉片后掠可大幅降低葉片壓力面的磨損，提高了軸流式葉輪在污水介質(zhì)中的使用壽命和運行可靠性。但同時可以發(fā)現(xiàn)，隨著葉片后掠角度的增加，泵的揚程和效率都隨之降低。
　　(2)在相同工況點的條件下，設計了40°和60°后掠葉輪，這兩個葉輪的揚程曲線和效率曲線基本相同，效率較高，其設計工況點的效率能夠達到79％左右，但是因為其揚程出現(xiàn)駝峰區(qū)域，所以導致后掠葉輪的高效區(qū)范圍并不大。60°后掠葉片上

5、的固相體積分數(shù)要小于40°后掠葉片上的固相體積分數(shù)，但是并不是十分明顯，同時都優(yōu)于原型葉片。隨著顆粒直徑的增加，60°后掠葉片上的固相體積分數(shù)隨之增加，并且葉片壓力面上固相的徑向流動趨勢越明顯而軸向流動趨勢越不明顯，徑向流動越明顯則葉片壓力面上固相體積分數(shù)應該隨之減少，而軸向流動趨勢越不明顯則葉片壓力面上固相體積分數(shù)應該隨之增多，所以在顆粒直徑增加的情況下，顆粒的軸向流動趨勢是后掠葉片壓力面上固相體積分數(shù)的主要因素。葉片吸力面上，在靠進

6、口邊輪轂附近區(qū)域，顆粒的軸向運動和徑向運動都很顯著，所以此處的固相體積分數(shù)也較大。隨著顆粒濃度的增加，60°后掠葉片上的固相體積分數(shù)隨之增加，葉片壓力面上固相的徑向流動越不明顯，而固相的軸向流動越明顯，軸向流動明顯會使得葉片壓力面上固相的體積分數(shù)減少，所以后掠葉片上固相體積分數(shù)增加的幅度明顯小于顆粒濃度增加的幅度，顆粒濃度越大，顆粒濃度對后掠葉片壓力面上固相體積分數(shù)的影響越小。
　　(3)通過PIV測試手段，分別分析了在0.8Qo

7、pt，1.0Qopt，1.2Qopt三個工況下，40°和60°后掠葉輪在一個流道周期的12個拍攝端面上的速度場。在0.8Qopt的小工況下，后掠葉片作用后的流體具有明顯的徑向流動趨勢，流量越小徑向流動趨勢越明顯，并且在相同工況點下，隨著后掠角度的增加，徑向流動趨勢越明顯。后掠葉片葉輪內(nèi)的流體在葉片進口邊區(qū)域和轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁面容易出現(xiàn)低速區(qū)域，并且流量越小低速區(qū)域越大，在靠近輪緣附近，葉片進口邊附近壓力面上流體會向吸力面流動，流量越小該現(xiàn)象越

8、明顯。40°后掠角葉輪和60°后掠角葉輪內(nèi)流體流動的現(xiàn)象較為相似，葉輪內(nèi)低速區(qū)域的位置和流體從葉片壓力面向吸力面運動的現(xiàn)象也都基本相同。在小流量工況下，進口邊靠近輪緣區(qū)域的液體會發(fā)生回流現(xiàn)象從葉片壓力面向吸力面運動，這是因為葉片后掠，致使流體在進入后掠葉片時，會有一定的徑向速度，而在小流量工況下，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁面附近流體的軸向速度較小，出現(xiàn)低速區(qū)域，而徑向流動明顯，所以流體在軸截面上的軸面速度與軸向夾角大于葉片進口邊的軸面投影圖和軸向的夾角

9、時，流體就會從葉片壓力面向吸力面流動，隨著流量的增大，葉輪內(nèi)流體的軸向速度也會增加且徑向流動趨勢減小，所以該現(xiàn)象得到減弱直至消失。
　　(4)通過高速攝影的手段研究了單個棉線在60°后掠葉輪內(nèi)的流動情況。對于單個棉線，后掠葉輪內(nèi)棉線不同的位置和葉片進口邊接觸會有不一樣的流動情況，當棉線的前端受到葉片進口邊的作用時，隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)棉線的后端部分會繼續(xù)向前運動，而棉線前端則沒有變化，這使得棉線懸掛在進口邊上，葉輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，棉線后端部分

10、繼續(xù)向前運動并最終帶動棉線前端脫離葉片進口邊，最后以螺旋狀的運動形式遠離葉輪。當棉線的后端受到葉片進口邊的作用時，棉線容易懸掛在進口邊上，并且隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)棉線會沿著進口邊向輪緣處移動，并最終脫離進口邊。葉輪轉(zhuǎn)速越快，懸掛在葉輪進口邊上的棉線沿著進口邊向輪緣處移動的速度會更快。為了使纏繞試驗更加符合軸流泵內(nèi)的運行情況，將葉輪套上套筒并將大量棉線加入容器中，經(jīng)過多次試驗可以發(fā)現(xiàn)，當容器內(nèi)棉線濃度較低時，棉線能很好的通過葉輪，并且葉片進口邊