煤浆输送泵的数值模拟与实验研究

论文摘要

随着能源消费总量的增加,世界范围内的石油短缺已经显现,将煤转化为石油产品的煤炭液化技术已引起工业界的高度重视。煤浆输送泵作为煤直接液化工艺中的关键输送设备,其工作性能的好坏直接影响到整个煤直接液化装置运行的稳定性。目前,国内外对往复泵内部流体流动情况的研究,大部分局限于定常或者稳态的研究,鲜有对其内部瞬态流场的动态模拟研究。本文基于CFD方法,应用FLUENT软件提供的动网格模型对煤浆输送泵试验装置的三维流场进行动态数值模拟,并结合试验运行情况和DCS控制系统流量监测,对其内部流体流动情况进行综合研究。首先对设计工况下的煤浆输送泵试验装置进行整机模拟,得到了其周期运动中各个时刻流场的变化情况。结果表明,初定结构的煤浆输送泵虽然能够输送煤浆,但是时有堵塞情况发生,回流问题也比较严重,无法长时间连续顺畅的输送煤浆。随后对其结构进行改进,缩短柱塞行程,提高曲柄转速,重新进行数值模拟与试验运行,情况虽有所好转,但仍然没有彻底解决问题,甚至因转速提高致使整个系统的稳定性下降。针对上述不足,进而改进阀体结构,降低曲柄转速,以提高系统稳定性。模拟结果显示,改进阀体结构后,煤浆输送泵整个周期流场的煤浆输送速度都有显著提高,堵塞和回流等也得到极大缓解,能够连续稳定地输送煤浆。最后,针对阀体结构改进后的煤浆输送泵,开展了实验研究。利用DCS控制系统对其出口流量进行监测,实验结果验证了数值模拟结果,两者基本吻合。本文的研究为瞬态流场的数值模拟方法提供了参考依据,为煤浆输送泵的国产化提供了技术基础。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目次
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 往复泵及关键部件简介
• 1.2.1 往复泵概况
• 1.2.2 泵阀
• 1.2.3 柱塞及密封
• 1.3 往复泵的研究现状
• 1.3.1 往复泵及泵阀的结构进展
• 1.3.2 往复泵及泵阀的理论研究
• 1.3.3 往复泵及泵阀的试验研究
• 1.3.4 往复泵及泵阀的数值模拟
• 1.4 动网格技术的应用现状
• 1.5 课题意义及研究内容
• 1.5.1 课题意义
• 1.5.2 本文主要研究内容
• 2 瞬态流动的数值计算方法
• 2.1 引言
• 2.2 流体流动的基本控制方程
• 2.3 数值离散方法
• 2.3.1 常用的数值离散方法
• 2.3.2 有限体积法
• 2.4 基于有限体积法的动网格模型
• 2.4.1 动网格模型简介
• 2.4.2 动网格模型的控制方程
• 2.4.3 动网格更新方法
• 2.5 边界条件的处理
• 2.6 运动边界的控制
• 2.6.1 动边界文件
• 2.6.2 自定义函数
• 2.7 数值求解方法
• 2.8 本章小结
• 3 煤浆输送泵的结构设计
• 3.1 煤浆输送泵的结构及工作原理
• 3.2 煤浆输送泵的特点
• 3.3 模型参数
• 3.3.1 物性参数
• 3.3.2 结构参数
• 3.3.3 操作条件
• 3.4 煤浆输送泵运行工况
• 3.5 本章小结
• 4 煤浆输送泵的数值模拟
• 4.1 设计工况下的数值模拟
• 4.1.1 模型建立和网格划分
• 4.1.2 边界条件的确定
• 4.1.3 数值分析方法
• 4.1.4 数值模拟结果分析
• 4.1.5 试验运行情况及分析
• 4.2 结构的改进与分析
• 4.2.1 网格划分
• 4.2.2 边界条件的确定
• 4.2.3 数值模拟结果分析
• 4.2.4 试验运行情况及分析
• 4.3 结构的再次改进与分析
• 4.3.1 模型建立和网格划分
• 4.3.2 边界条件的确定
• 4.3.3 数值模拟结果
• 4.3.4 试验运行情况及分析
• 4.4 本章小结
• 5 煤浆输送泵的实验研究
• 5.1 煤浆输送泵的DCS实验
• 5.1.1 实验装置
• 5.1.2 煤浆输送泵运行状态的DCS监测
• 5.2 各转速下的数值模拟结果分析
• 5.2.1 边界条件
• 5.2.2 数值模拟结果
• 5.3 实验结果和模拟结果的对比
• 5.4 误差分析
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简历