【摘要】：離心式渣漿泵是固液兩相流體輸送的關鍵性設備,廣泛應用于采礦、冶金、水利、電力及環(huán)保等行業(yè)。漿體中硬質固體顆粒的存在及其對渣漿泵的強烈沖蝕磨損作用,導致渣漿泵使用中存在效率低及過流零件使用壽命短等突出問題。我國是目前世界上主要的渣漿泵消耗國,但是我國渣漿泵的技術水平與先進國家相比卻存在較大差距,國產(chǎn)高端渣漿泵產(chǎn)品自給率僅為30%左右,與同類國外先進產(chǎn)品相比,國產(chǎn)渣漿泵的效率普遍低5%-15%,在同等工作條件下,國外渣漿泵過流件的使用壽命比國內(nèi)產(chǎn)品高出10%-50%。 在渣漿泵的研究手段、設計理論與方法上取得突破是提升我國渣漿泵技術的必要途徑,針對我國目前渣漿泵技術與國際先進水平的差距和采用清水泵經(jīng)驗系數(shù)法設計渣漿泵的局限性,本文基于固液兩相流三維湍流理論,結合計算流體動力學數(shù)值分析方法,通過對渣漿泵流場、固相顆粒沖蝕及泵過流零件磨損特性的研究,提出幾種典型過流結構渣漿泵設計和基于數(shù)值計算的性能預測方法,以期為我國節(jié)能、低磨耗高性能渣漿泵研制提供依據(jù),擺脫高端渣漿泵長期依賴進口的局面。 論文主要的研究內(nèi)容和成果如下： 1、基于固液兩相流理論的兩流體模型,推導了離心式渣漿泵的基本方程式,分析了基于固液兩流體模型和離散相模型的離心式渣漿泵固液流動控制方程。 2、構建了具有復雜幾何邊界的離心式渣漿泵全流道三維計算網(wǎng)格模型。采用有限體積法對渣漿泵流動控制方程進行離散化,采用SIMPLEC算法進行流場計算,建立了渣漿泵全流道固液兩相三維流動的計算流體動力學分析方法。提出了渣漿泵全流道固液兩相三維湍流場求解的欠松弛技術、步進求解方法和轉速控制求解法。為渣漿泵的數(shù)值模擬和其他固液兩相流體機械的計算流體動力學分析奠定了基礎。 3、應用渣漿泵計算流體動力學分析方法,對離心式渣漿泵全流道內(nèi)的固液兩相流動進行數(shù)值模擬。研究了渣漿泵內(nèi)部固液兩相壓力場的規(guī)律及渣漿泵的揚程、效率和汽蝕特性。提出了基于數(shù)值計算的渣漿泵揚程、效率計算公式及性能預測方法。提出了節(jié)能渣漿泵過流零件的設計方法及實用數(shù)據(jù),創(chuàng)新了渣漿泵葉輪的設計手段。 4、綜合運用機械學、計算流體動力學、摩擦學、材料學等學科的相關理論,對渣漿泵過流件的磨損進行分析。采用數(shù)值模擬方法對渣漿泵內(nèi)部的固相顆粒沖的蝕行為進行研究；分析了葉片參數(shù)及漿體性質對固體顆粒沖蝕特性的影響規(guī)律,對渣漿泵的磨損進行了預測；形成了低磨耗離心式渣漿泵葉輪設計方法及實用數(shù)據(jù)。 5、研究了渣漿泵過流零件的材料選用以及制造的鑄造工藝、熱處理工藝和機械加工工藝,研制了實驗用渣漿泵。通過離心式渣漿泵的實驗,渣漿泵揚程、效率、汽蝕和磨損性能等測試結果與數(shù)值模擬結果具有較好的一致性。 6、研制出高效率、低磨耗的250/200-ZJB型離心式渣漿泵,性能指標為：額定流量Q=300m3/h,轉速n=960r/min,漿體效率ηm=68%,葉輪使用壽命800小時,達到了同類國際先進渣漿泵產(chǎn)品的水平,并在工程應用中取得良好效果。
【圖文】：

二元或三元流動設計方法[v1。在渣漿泵結構方面，典型的雙泵殼結構仍然是強磨蝕工況條件下理想的結構形式，其中壓水室(護套)為因磨損而需要經(jīng)常更換的內(nèi)殼，前、后泵殼為起連接作用的外殼，見圖1一1;在弱磨蝕工況，采用單泵殼形式可以使渣漿泵的結構更加簡單;對于大型渣漿泵，由于泵殼質量大，宜采用“后開門”的結構形式，方便泵的安裝與拆卸。渣漿泵零件的結構設計朝著可靠性高和輕量化方向發(fā)展，，己由傳統(tǒng)的強度理論設計方法發(fā)展到基于有限單元法的數(shù)值模擬與分析方法[8]。過去的幾十年中，渣漿泵用材料技術的發(fā)展對于提高渣漿泵的使用壽命起到了十分重要的作用，不同材料制造的渣漿泵過流零件在同樣的條件下使用，其使

(5)進行輔助特征(如圓角)造型。根據(jù)上述渣漿泵壓水室流道區(qū)域的幾何分析和幾何造型策略，在Solldworks環(huán)境下實現(xiàn)對壓水室流道區(qū)域進行三維幾何造型。如圖3一2所示為離心式渣漿泵準螺旋形壓水室流道的三維幾何模型。離心式渣漿泵的葉輪一般為閉式葉輪，主葉片通常為圓柱形葉片。葉輪相鄰兩主葉片和前、后蓋板形成葉輪的一個流道，葉輪流道的數(shù)量取決于葉片的數(shù)量。所有葉輪流道和葉輪進口空間構成了葉輪流道區(qū)域。圖3一3所示是葉輪具有5個流道的三維幾何模型。圖3一2壓水室流道三維幾何模型圖3一3葉輪流道三維幾何模型為了便于建模與分析，把泵吸入管段流道區(qū)域與葉輪流道區(qū)域作為一個整體來處理。葉輪流道區(qū)域同樣是一個復雜的不規(guī)則三維區(qū)域。可以認為該區(qū)域由兩部分組合而成:一部分是吸入管和葉輪進口空間構成的流道區(qū)域，另一部分為葉輪流道構成的流道區(qū)域。根據(jù)上述對葉輪流道區(qū)域的幾何特征分析，對葉輪流道區(qū)域幾何造型可采用以下策略[”’]:(l)對整個葉輪流道區(qū)域按一個三維零件處理;(2)吸入管和葉輪進口空間構成的流道區(qū)域作為一個基本特征處理;(3)葉輪的一個流道構成的區(qū)域作為特征處理;(4)葉輪的其它流道構成的區(qū)域通過陣列特征的方法生成;(5)進行輔助特征(如圓角和道流錐)造型。根據(jù)上述幾何特征分析和幾何造型策略，在Sohdworks環(huán)境下可對葉輪流道
【學位授予單位】：中南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：TH38

【參考文獻】

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本文編號：2688080