高效无堵塞泵的研究开发及内部流场数值模拟

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泵是应用非常广泛的通用机械,凡是有液体流动之处几乎都有泵在工作,随着科学技术的进步和经济社会的不断发展,泵的应用领域正在迅速扩大。高效无堵塞泵主要用于输送工业流程、生活污水、工业废水等中含有固体颗粒悬浮物或纤维状悬浮物的液体,广泛应用于市政、环保、污水处理、轻工、造纸、化工、食品等行业。由于其形状特殊,流动复杂,因而是近年来国内外热门的前沿研究课题和重点开发的新产品。因此,创新和完善高效无堵塞泵的设计理论与方法,研究并掌握其内部流动机理,设计、开发高效节能,防缠绕、抗堵塞性能好,可靠性高,适合于产业化生产的高效无堵塞泵系列产品,不仅具有重要的学术价值,而且对我国经济社会的可持续发展具有十分重要的现实意义。 本文的主要研究内容和取得的主要创造性成果有: (I)系统总结了高效无堵塞泵叶轮的主要结构型式及其特点,进一步完善了高效无堵塞泵的设计理论与方法。首次提出了涡旋前伸式双叶片污水泵的设计方法,设计实例和用户使用表明效果优良。 (2)首次提出了以扬程系数C<,H>、流量系数C<,Q>和流速系数C<,V>为经验系数的高效无堵塞泵经验系数设计法,建立了经验系数的计算公式,达到实用要求。 (3)系统分析了国内外离心泵切割定律的研究现状,鉴于双流道叶轮与普通离心泵叶轮在结构型式、设计方法上的不同,首次提出了高效无堵塞泵双流道叶轮的切割定律,通过试验研究确定了切割指数的取值范围,应用实例表明试验值与理论预测值吻合性好,具有很好的实用性和推广应用前景。 (4)首次提出并构建了高效无堵塞泵优化设计专家系统,提出了系统运用的模糊数学模型并建立了模糊数学集,为将来进一步进行高效无堵塞泵优化设计的研究指明了方向。 (5)基于有限体积法,采用混合差分格式,导出了任意曲线坐标系下高效无堵塞双流道泵内三维定常不可压湍流流动控制方程组的差分格式。采用SIMPLEC算法及修正了的к-ε湍流模型,首次把双流道叶轮与涡壳作为一个整体,对高效无堵塞双流道泵内部流场进行了数值模拟,初步揭示了其内部流动的一般规律,对设计理论的完善提供了一定的理论依据。 (6)把故障诊断技术和设计制造技术融为一体,系统分析了潜水排污泵故障诊断系统的结构、故障信息的在线检测及信号的分析处理,首次提出了潜水排污泵故障的“三色”智能化诊断技术,自主开发了相应的智能保护控制柜,实现了潜水排污泵的实时监控和故障诊断,达到了安全保护和全自动运行的目的。 (7)设计、开发的高效无堵塞泵系列新产品,结构新颖,通用化程度高,适应性广,拥有自主知识产权。产品的无堵塞、抗缠绕性能好,通过能力强,料浆的输送浓度高,清淤效果佳,效率高,综合技术指标居国内领先和国际先进水平。 (8)成果转化快,推广应用广,产业化程度高,已被江苏亚太泵业集团公司等几十家泵厂批量生产,年均新增产值5亿多元、利税1亿多元、出口创汇600多万美元,产量约占全国无堵塞泵总产量的2/3,部分填补国内空白,大量替代引进产品。并经上海宝钢等国内外诸多用户使用,运行可靠,效果理想,取得了十分显著的经济和社会效益。提高了企业的技术创新能力,加速了行业的发展与技术进步。
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