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隔舌对双蜗壳泵径向力和压力脉动影响的数值模拟研究:基于多工况与结构参数分析

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代工业生产中,双蜗壳泵作为一种关键的流体输送设备,被广泛应用于石油化工、电力、给排水等诸多领域。其稳定高效的运行对于整个生产系统的正常运转起着至关重要的作用。在石油化工行业,双蜗壳泵用于输送各种具有腐蚀性、易燃易爆的液体,如原油、化工原料等,其性能直接影响到生产的安全性和连续性;在电力行业,双蜗壳泵用于循环水的输送,确保发电机组的正常冷却,保障电力的稳定供应。

双蜗壳泵的性能受多种因素影响,其中隔舌作为泵体结构的重要组成部分,对其性能有着显著影响。隔舌的设计参数,如形状、尺寸、位置等,会直接改变泵内的流场分布,进而影响泵的径向力和压力脉动。不合理的隔舌设计会导致泵内流体流动紊乱,产生较大的径向力,这不仅会增加泵的振动和噪声,还可能导致泵的零部件磨损加剧,缩短泵的使用寿命。过大的径向力会使泵轴承受过大的负荷,导致轴的弯曲变形,甚至断裂,从而影响泵的正常运行。压力脉动的存在也会对泵的性能产生不利影响,引发振动和噪声问题,降低泵的效率。

随着工业技术的不断发展,对双蜗壳泵的性能要求日益提高。传统的双蜗壳泵在某些工况下已难以满足高效、稳定、低噪声运行的需求。因此,深入研究隔舌对双蜗壳泵径向力和压力脉动的影响规律,对于优化双蜗壳泵的设计,提高其性能具有重要的现实意义。通过优化隔舌设计,可以有效降低泵的径向力和压力脉动,减少振动和噪声,提高泵的运行稳定性和可靠性,从而降低设备维护成本,提高生产效率。

数值模拟技术作为一种先进的研究手段,在流体机械领域得到了广泛应用。通过数值模拟,可以直观地观察泵内的流场分布,深入分析隔舌对径向力和压力脉动的影响机制,为双蜗壳泵的优化设计提供理论依据。与传统的实验研究方法相比,数值模拟具有成本低、周期短、可重复性强等优点,可以在短时间内对不同的设计方案进行模拟分析,快速筛选出最优方案,大大提高了研究效率和设计水平。

1.2国内外研究现状

国内外学者针对双蜗壳泵隔舌对其性能的影响开展了大量研究。在国外,一些学者通过实验与数值模拟相结合的方法,研究了隔舌间隙对双蜗壳泵性能的影响。研究发现,适当增大隔舌间隙可以降低泵的径向力,但同时也会对泵的扬程和效率产生一定影响。还有学者对隔舌形状进行优化,采用曲线型隔舌代替传统的直线型隔舌,结果表明曲线型隔舌能够改善泵内的流场分布,降低压力脉动,提高泵的性能。

国内学者在这方面也取得了丰硕成果。有学者通过数值模拟研究了不同隔舌安放角下双蜗壳泵的内部流场特性,发现隔舌安放角对泵的径向力和压力脉动有显著影响,存在一个最佳的隔舌安放角,使得泵的性能最优。还有学者对双蜗壳泵的隔舌结构进行创新设计,提出了长短隔舌的结构形式,实验结果表明这种结构能够有效降低动静干涉作用,减小大流量工况下的径向力,提升泵在非设计工况下的运行稳定性。

然而,当前研究仍存在一些不足之处。一方面,对于隔舌在复杂工况下对双蜗壳泵性能的影响研究还不够深入,实际工业生产中,双蜗壳泵往往在变工况条件下运行,如流量、扬程的变化等,而现有的研究大多集中在设计工况下,对于变工况下隔舌的影响机制还缺乏系统的认识;另一方面,在隔舌优化设计方面,虽然提出了一些新的结构和方法,但在实际应用中还存在一定的局限性,如何将理论研究成果更好地应用到实际工程中,仍需要进一步探索。

1.3研究目标与内容

本研究旨在深入揭示隔舌对双蜗壳泵径向力和压力脉动的影响规律,为双蜗壳泵的优化设计提供理论支持和技术指导。具体研究内容包括:

建立双蜗壳泵的数值模拟模型:运用计算流体力学(CFD)软件,基于雷诺时均N-S方程和合适的湍流模型,建立双蜗壳泵的全流场数值模型。通过合理的网格划分和边界条件设置,确保数值模拟结果的准确性和可靠性。

分析隔舌参数对径向力的影响:研究隔舌的形状、尺寸、位置等参数变化对双蜗壳泵径向力大小和方向的影响规律。通过数值模拟计算,获得不同隔舌参数下泵的径向力分布情况,分析其变化趋势,并探讨径向力产生的原因和作用机制。

研究隔舌参数对压力脉动的影响:分析隔舌参数变化对双蜗壳泵内部压力脉动特性的影响,包括压力脉动的幅值、频率和分布规律等。通过对压力脉动数据的频谱分析,确定压力脉动的主要频率成分,研究隔舌与压力脉动之间的内在联系。

优化隔舌设计并验证结果:根据研究结果,提出隔舌的优化设计方案,通过数值模拟对比优化前后双蜗壳泵的性能,评估优化效果。同时,开展实验研究,对数值模拟结果进行验证,确保优化设计的可行性和有效性。

1.4研究方法与技术路线

本研究采用CFD数值模拟、理论分析和实验验证相结合的方法。首先,利用CFD软件对双蜗壳泵进行数值模拟,分析隔舌对径向力和压力脉动的影响;然后,结合流体力学理论,对模

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