渣浆泵三维建模与固液两相流CFD数值模拟

论文摘要

本课题来源于攀钢矿业公司选矿厂150ZGB型渣浆泵改进项目。该型渣浆泵在工况运行时出现一些如部件局部磨损严重,效率低,噪声大等问题,尤其是过流部件磨损最为突出,造成能源和设备的大量浪费。由于渣浆泵在输送流体介质时其内部流体流动规律对渣浆泵过流部件磨损情况影响很大,所以分析出渣浆泵内部流场规律对预测其过流部件磨损情况非常重要。本文主要是对150ZGB型渣浆泵进行内部流场三维CFD数值模拟,分析出渣浆泵在传输清水以及固液两相流时泵的外特性和内部流动规律。本文针对150ZGB型渣浆泵,运用Pro/E进行三维几何建模并采用Gambit进行非结构网格划分；然后应用Fluent软件对该泵内部流场进行三维CFD数值模拟。模拟时选用雷诺平均N-S方程,标准k-ε紊流模型并结合SIMPLEC算法,分别对清水介质以及不同固体颗粒参数（直径d、浓度c）的固液两相流体介质进行CFD数值模拟,得出渣浆泵外部特性以及内部流体压力场、速度场、固体颗粒分布和颗粒运动轨迹等内部流场特性。本论文对模拟结果进行了相关分析。渣浆泵输送清水介质时,分析了腔内和叶片表面流体的速度、压力等分布以及泵的外部特性情况,发现腔内流体速度沿径向不断增长,隔舌附近出现严重的回流,叶片工作面的压力大于其背面,并且泵的外部特性与选矿厂试验真实值相吻合。渣浆泵输送固液两相流介质时,分析了不同颗粒直径与浓度对泵的外特性和内部流场规律产生的影响,结果表明渣浆泵的扬程和效率随颗粒直径和颗粒浓度的增大而减小,功率反而增大；叶片压力沿径向逐渐增加,在进口区域出现负压；叶片工作面颗粒浓度在进口区域最大且沿径向逐渐减小,而工作背面在出口处四分之一区域达到最大。本文还分析了不同颗粒参数时泵内流体速度、压力、颗粒分布和颗粒运动轨迹等分布情况以及它们对叶轮磨损的影响。这些研究结果为预测泵内部过流部件磨损以及合理解释其磨损位置分布情况提供依据,为改善渣浆泵的抗磨损性能和结构优化设计提供一定理论基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.2 渣浆泵数值模拟研究现状
• 1.3 本文研究方法及内容
• 第二章 渣浆泵内部流场CFD模拟理论
• 2.1 CFD数值模拟概念
• 2.2 多相流模拟模型
• 2.2.1 多相流动模式简介
• 2.2.2 多相流数值计算方法
• 2.2.3 多相流模型的选择
• 2.3 欧拉模型理论
• 2.3.1 欧拉模型
• 2.3.2 守恒方程
• 2.4 离散方法
• 2.5 SIMPLEC算法
• 2.6 湍流模型
• 2.6.1 k-ε模型
• 2.6.2 其它模型
• 2.7 FLUENT软件简介
• 2.8 本章小结
• 第三章 渣浆泵三维实体建模及有限元模型
• 3.1 PRO/ENGLNEER系统简介
• 3.2 三维实体建模
• 3.2.1 叶轮实体模型创建
• 3.2.2 蜗壳实体模型创建
• 3.2.3 蜗壳叶轮实体及模拟水体模型创建
• 3.3 网格的生成
• 3.3.1 网格生成方法
• 3.3.2 渣浆泵内部场流体网格生成
• 3.4 本章小结
• 第四章 渣浆泵内部流动的数值模拟方法研究
• 4.1 计算网格准备
• 4.1.1 网格读入
• 4.1.2 单位设置
• 4.1.3 网格检查
• 4.1.4 平滑和交换网格
• 4.2 设置模型
• 4.3 确定边界条件
• 4.3.1 进出口边界条件
• 4.3.2 固壁边界条件
• 4.4 离散方法与迭代的定义
• 4.5 收敛判据的定义
• 4.6 可动区域的流动问题
• 4.6.1 动静流动区域模拟方法简述
• 4.6.2 旋转参考坐标系流动简述
• 4.7 本章小结
• 第五章 数值模拟计算及结果分析
• 5.1 基本设计参数
• 5.2 能量特性
• 5.3 渣浆泵清水介质下模拟计算与分析
• 5.3.1 输送清水时泵的外部特性
• 5.3.2 输送清水时泵的内部特性
• 5.4 渣浆泵固液两相介质下模拟计算及分析
• 5.4.1 固相颗粒直径大小不同时泵性能研究
• 5.4.2 固相颗粒体积含量不同时泵性能研究
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 不足与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A （攻读硕士期间发表论文及参与项目）
• 附录B （渣浆泵叶轮磨损对照图）