开式叶轮离心纸浆泵内部流动的数值模拟和分析

论文摘要

纸浆泵是造纸工业中主要的浆料输送机械,在造纸流程中占有举足轻重的地位,需求量也非常大,而且消耗着巨大的电能。随着能源的日益紧缺,人们对纸浆泵提出了更高的要求,因此对纸浆泵进行优化设计、提高效率、降低能耗具有重要意义。为了使纸浆泵具有更好的性能,了解泵内部流场的流动规律显得尤为重要。近年来,随着计算机技术的不断提高,CFD技术的发展极其迅速,已经在流体机械的分析和设计中起到了非常重要的作用,为我们实现这一目的提供了极大的便利。本文对开式叶轮离心纸浆泵的原型泵和优化设计后模型的整机内部的单相流动进行了数值模拟,主要做了以下几个方面的工作：首先简单介绍了纸浆泵内的主要流动介质纸浆的流动特性和力学特性,并对一些CFD的基本理论进行了简介,在此基础上基于RANS方程和RNGκ-ε湍流模型,采用有限体积法和SIMPLEC算法,确立了一种适合于离心式流体机械的数值模拟方案。其次,构建了开式叶轮离心纸浆泵原型泵的实体模型,并通过相关网格生成技术对计算域进行网格划分,基于上述数值模拟方法,利用CFD商业软件数值模拟了泵在不同工况下的内部流动规律,给出了流量扬程性能曲线和流量效率性能曲线,并与标准试验结果进行了对比,两者吻合良好,证明了本文所确立的数值计算方法是可靠的,可以用于开式叶轮离心纸浆泵的内部流动分析。接下来,根据计算结果分析了泵内部流动压力、速度的分布规律,并捕捉了如二次流、分离流动、漩涡和冲击等不利于纸浆泵正常运行的现象,为改善泵的性能,优化泵的设计提供了依据。最后,对优化后的纸浆泵模型进行了数值计算,通过分析和对比,优化后泵内的速度和压力分布趋于合理,表明优化后的泵模型叶轮及整体性能有了比较明显的提高。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纸浆泵数值模拟的国内外研究进展
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本课题的意义和主要研究内容
• 2 纸浆悬浮液的特性分析
• 2.1 纸浆的流动特性
• 2.2 纸浆的力学特性
• 2.3 纸浆流动数值模拟的概况
• 3 计算流体力学的理论和方法介绍
• 3.1 控制方程
• 3.1.1 惯性坐标系下的控制方程
• 3.1.2 旋转坐标系中的控制方程
• 3.2 湍流模型
• 3.2.1 直接数值模拟（DNS）
• 3.2.2 大涡模拟（LES）
• 3.2.3 雷诺平均法（RANS）
• 3.3 有限体积法
• 3.4 SIMPLE算法
• 3.5 本章小结
• 4 纸浆泵的数值模拟和计算结果分析
• 4.1 纸浆泵数值模拟方法的确定
• 4.1.1 物理模型的建立
• 4.1.2 网格划分
• 4.1.3 湍流模型的选取
• 4.1.4 边界条件及算法
• 4.2 原型泵的计算结果分析
• 4.2.1 计算结果与试验数据的比较
• 4.2.2 压力、速度以及流动现象的分析
• 4.3 影响泵性能的主要参数
• 4.3.1 叶片包角φ
• 1'>4.3.2 叶片进口角β₁
• 2'>4.3.3 叶片出口角β₂
• 4.4 优化后模型计算结果分析
• 4.5 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 在学期间所取得的科研成果