海水淡化用提升泵数值模拟及流固耦合研究

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中国是一个淡水资源严重缺乏的国家,反渗透海水淡化技术由于其设备投资小、能量消耗低、建造周期短等优点,在中国发展迅速,已成为海水淡化的主导技术。   本文是依托国家十一五科技支撑项目《万吨级膜法海水淡化关键技术与装备研究》而提出的,目的是设计一台符合其技术指标的高效提升泵。由于海水淡化系统中泵和能量回收装置的效率指标对其能耗指标影响很大,因而加强对提升泵效率的研究具有很重要的意义,本文对提升泵研究展开内容如下:   1.在优秀水力模型的基础上,通过改变泵效率主要影响参数的尺寸;结合损失极值法、相似换算法以及离心泵设计软件等方法进行水力设计,设计出三种优秀水力模型。   2.借助Pro/E软件对泵的水力部件进行三维造型;借助CFX软件,并合理选取内部流动的N-S方程、湍流模型、N-S方程的数值解法以及边界条件等,对三组水力模型进行三维定常计算。根据三组水力模型的计算结果,挑选出一组流量-扬程曲线变化缓慢,效率较高且高效区较宽广的水力模型进行试验研究。研究结果表明各性能参数计算值与试验值吻合较好,在设计工况下,试验泵扬程为40.5m,效率为81%,完全符合设计要求。   3.利用计算流体力学软件CFX,在三维定常计算的结果上,对泵内部流场进行三维非定常求解,研究了模型泵内部湍流情况、压力脉动情况以及叶轮出口压力的变化规律。研究发现监测点的压力变化基本成正弦周期变化;不同监测点、不同流量下,压力脉动的主要影响频率为叶轮叶片转过的频率,且在设计流量幅度值较小,偏离设计流量幅度值增大;叶轮出口附近的压力在两隔舌之间基本呈对称分布。   4.利用计算流体力学软件CFX和结构有限元软件ANSYS12.0对提升泵内部流场和叶轮结构进行双向同步交替计算流固耦合联合求解。研究叶轮转子结构在流体作用下的应力分布与结构变形、流体受结构变形的影响、速度场与压力场的变化等。研究结果表明,叶轮结构在流场的作用下发生了变形,最大变形处为两叶片之间的后盖板处;叶轮最大应力点为叶片出口与前后盖板相接的地方;流固耦合作用对流场存在影响,小流量对流场的影响较小,而大流量下对流场的影响较大。
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