本文關(guān)鍵詞：湍流發(fā)生器內(nèi)部流動及中濃紙漿泵試驗研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：本課題來源于國家科技支撐項目“典型工業(yè)流程泵輸送系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及運行節(jié)能策略”(編號：2011BAF14B02),并在“江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目”的資助下展開工作。本文在研究中濃紙漿懸浮液流動機理的基礎(chǔ)上,測量中濃紙漿的流變特性,建立了中濃紙漿的流變模型參數(shù)；理論推導(dǎo)和試驗測量了湍流發(fā)生器中氣泡運動的速度與運動軌跡方程,試驗研究了湍流發(fā)生器內(nèi)部的速度和湍流動能的分布規(guī)律。基于湍流發(fā)生器內(nèi)部流動研究,初步建立了湍流發(fā)生器的設(shè)計方法。從氣液分離的角度出發(fā),采用數(shù)值模擬的方法研究中濃紙漿泵內(nèi)部的氣液分離規(guī)律；搭建中濃紙漿泵試驗臺,研究中濃紙漿泵的運行性能特性。主要研究工作可分為以下幾個方面：(1)通過試驗研究測量了兩種中濃度紙漿的密度、剪切應(yīng)力和剪切旋轉(zhuǎn)速度,研究了中濃度紙漿在湍流化過程中的流變特征。為實現(xiàn)中濃度紙漿懸浮液的湍流化,達(dá)到中濃度紙漿泵送的目的做好試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。(2)通過理論分析和試驗測量,研究了氣泡在湍流發(fā)生器中的氣液兩相流運動特征。通過分析氣泡在湍流發(fā)生器中的受力情況,推導(dǎo)出氣泡在運動過程中的速度以及運動軌跡方程,分析了氣泡的動力學(xué)特性。搭建了一套可視化兩相流測試平臺,采用高速攝影技術(shù)拍攝氣泡在湍流發(fā)生器中的運動圖像序列。編制圖像處理程序,追蹤目標(biāo)氣泡,獲取氣泡特征參數(shù),得到0.8mm、1.5mm、1.9mm直徑氣泡在湍流發(fā)生器中80r/min、130r/min、200r/min轉(zhuǎn)速下的瞬態(tài)運動軌跡。研究表明,氣泡的徑向位置與轉(zhuǎn)過的角度成自然指數(shù)函數(shù)關(guān)系,且隨著氣泡的直徑和旋轉(zhuǎn)角速度的增加而快速減小。湍流發(fā)生器旋轉(zhuǎn)速度的增加有利于氣泡的加速向心運動；直徑較大的氣泡率先到達(dá)旋轉(zhuǎn)軸。(3)利用PIV (particle image velocimetry)試驗裝置,研究了不同轉(zhuǎn)速下湍流發(fā)生器內(nèi)流體運動特征。設(shè)計了一種新型的PIV測量裝置,通過調(diào)整反光鏡的角度和位置,能夠快捷有效地對湍流發(fā)生器內(nèi)的多個平面流場進行測試。為了研究轉(zhuǎn)速對流場的影響,利用PIV技術(shù)分別測量了湍流發(fā)生器在80r/min、130r/min和200r/min三種轉(zhuǎn)速下的內(nèi)部流場。采用無量綱法定量分析湍流發(fā)生器內(nèi)部的軸向速度、圓周速度和湍流動能的分布情況。試驗結(jié)果表明：垂直截面上,在湍流發(fā)生器葉片作用區(qū)域內(nèi),軸向速度隨著徑向位置增加而逐漸減小,在葉片作用區(qū)域外,軸向速度的方向發(fā)生改變且隨著徑向位置增加而逐漸增大；液體從湍流發(fā)生器葉片進口向上運動至出口,而后從葉片作用區(qū)域外向下返回至葉片進口,形成循環(huán)。水平截面上,圓周速度先隨著徑向位置的增而先增加,在湍流發(fā)生器的外徑處達(dá)到最大值,而后逐漸減小。湍流發(fā)生器內(nèi)部的湍流動能隨著轉(zhuǎn)速的升高而逐漸增大,且較高的湍流動能主要集中在湍流發(fā)生器葉片的進口及外徑處。(4)基于湍流發(fā)生器內(nèi)部流動理論分析和試驗研究,初步建立了湍流發(fā)生器的設(shè)計方法。分析湍流化時中濃紙漿在湍流發(fā)生器中(剪切室內(nèi))的速度分布,確定了中濃紙漿在中濃紙漿泵中湍流化的臨界條件,結(jié)合試驗測量得到的中濃紙漿流變數(shù)據(jù),提出了湍流發(fā)生器葉片外徑的計算公式。根據(jù)氣泡的運動軌跡,找到了氣液分離時需要的時間,進而給出了湍流發(fā)生器軸向長度的計算方法。通過研究湍流動能的分布特點,確立了湍流發(fā)生器葉片進口設(shè)計方法。(5)數(shù)值模擬中濃紙漿泵中氣液兩相流動,研究了泵內(nèi)部的氣液分離特征�；跉W拉-歐拉多相流模型,對泵內(nèi)的氣液分離進行了三維非定常數(shù)值模擬,分析了轉(zhuǎn)速、真空度和流量對氣液分離的影響及瞬態(tài)氣液分離過程。結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)速的增加,較高的氣體體積分?jǐn)?shù)區(qū)域集中于湍流發(fā)生器葉片的背面,葉輪內(nèi)的氣體含量減小。真空度的大小對湍流發(fā)生器內(nèi)的氣液分離影響較小。隨著流量的增加,湍流發(fā)生器內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)較高的區(qū)域面積逐漸減小,大流量工況下氣體集聚在湍流發(fā)生器的背葉片根部。背葉輪的作用使氣液得到了進一步的分離。在葉輪的排氣孔附近產(chǎn)生并聚集了大量氣體,并伴隨著強烈的氣液兩相流相互作用而變化。研究氣體體積分?jǐn)?shù)的周期性分布規(guī)律對葉輪內(nèi)排氣孔的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。(6)通過真漿試驗,研究了不同運行條件對中濃紙漿泵性能的影響。設(shè)計了一種基于聲吶流量測試系統(tǒng)的中濃紙漿泵性能試驗臺,通過試驗研究分析了紙漿濃度為7.52%、9.3%、12.1%,轉(zhuǎn)速為960r/min、1140r/min、1500r/min和不同排氣抽吸真空度時,泵的揚程、效率、出口含氣率及最大極限流量變化特征。試驗結(jié)果表明：隨著紙漿濃度的增加,同一流量下?lián)P程、效率逐漸下降。真空度對泵的性能特性有顯著的影響,在不抽真空條件下,中濃紙漿泵可實現(xiàn)7.52%濃度紙漿的輸送,但隨著流量的增加,揚程、效率明顯下降；隨著抽吸真空度的增大,揚程逐漸升高,且存在一個最佳真空度值使得泵效率最高,泵出口紙漿的含氣率逐漸降低。揚程隨轉(zhuǎn)速的增加而升高,泵出口紙漿的含氣率降低；所需真空度隨轉(zhuǎn)速的增加而減小,表明提高泵轉(zhuǎn)速有利于紙漿中氣液的分離從而降低所需的真空度值。泵出口紙漿中含氣率隨著紙漿濃度的增加而升高,同時所需的抽吸真空度也迅速增加。最大流量極限值隨著紙漿濃度的增加而減小,隨轉(zhuǎn)速的增加而增加。
【關(guān)鍵詞】：端流發(fā)生器 中濃紙漿累 流變特性 內(nèi)部流動 氣液分離 設(shè)計 試驗II
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TS73
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 主要符號說明12-18
• 第一章 緒論18-38
• 1.1 研究背景、目的及意義18-21
• 1.1.1 研究背景18-20
• 1.1.2 研究的目的和意義20-21
• 1.2 中濃紙漿泵湍流發(fā)生器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21-36
• 1.2.1 中濃紙漿泵的結(jié)構(gòu)概述21-22
• 1.2.2 紙漿懸浮液的物理性質(zhì)22-26
• 1.2.3 中濃紙漿懸浮液的湍流化26-28
• 1.2.4 中濃紙漿泵內(nèi)部的氣液分離28-31
• 1.2.5 中濃紙漿泵及湍流發(fā)生器的設(shè)計方法31-32
• 1.2.6 中濃紙漿泵的試驗測量32-35
• 1.2.7 中濃紙漿泵國內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)35-36
• 1.3 本文研究的主要內(nèi)容36
• 1.4 研究的方法和技術(shù)路線36-38
• 第二章 中濃紙漿懸浮液的流動及湍流化特征研究38-56
• 2.1 中濃紙漿懸浮液的流動特性38-46
• 2.1.1 非牛頓流體的定義及分類38-39
• 2.1.2 中濃紙漿的流體特性39-41
• 2.1.3 紙漿在管道中的不同流動形式41-44
• 2.1.4 紙漿的流變數(shù)學(xué)模型44-45
• 2.1.5 紙漿流變性質(zhì)的測量45-46
• 2.2 中濃紙漿懸浮液剪切理論的研究46-47
• 2.3 中濃紙漿懸浮液流態(tài)判定依據(jù)47-48
• 2.4 中濃紙漿懸浮液氣泡分離運動理論48
• 2.5 中濃紙漿湍流化特征的研究48-53
• 2.5.1 中濃度紙漿密度和濃度的測量48-49
• 2.5.2 試驗裝置與方法49-51
• 2.5.3 剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系51-53
• 2.6 本章小結(jié)53-56
• 第三章 湍流發(fā)生器中氣泡運動特性研究56-68
• 3.1 氣泡在湍流發(fā)生器中的運動理論56-60
• 3.1.1 氣泡的水平向心運動57-58
• 3.1.2 氣泡的垂直向上運動58-59
• 3.1.3 氣泡的水平向心運動軌跡59-60
• 3.2 氣泡在湍流發(fā)生器中運動的試驗研究60-62
• 3.2.1 試驗裝置60-61
• 3.2.2 圖像處理方法61
• 3.2.3 氣泡直徑的測量61-62
• 3.3 試驗結(jié)果與討論62-65
• 3.4 論與試驗結(jié)果的對比分析65
• 3.5 本章小結(jié)65-68
• 第四章 湍流發(fā)生器內(nèi)部流場的PIV測量與研究68-88
• 4.1 PIV測速技術(shù)的介紹68-69
• 4.1.1 基本工作原理68-69
• 4.1.2 PIV的主要要參數(shù)及選擇69
• 4.2 PIV測量裝置的設(shè)計69-72
• 4.3 測試方法及試驗方案72-74
• 4.3.1 垂直截面流場的測量73
• 4.3.2 水平截面流場的測量73-74
• 4.4 湍流發(fā)生器內(nèi)部流場的研究74-86
• 4.4.1 垂直截面流場的分布規(guī)律76-80
• 4.4.2 水平截面流場的分布規(guī)律80-83
• 4.4.3 湍流動能的分布83-86
• 4.5 本章小結(jié)86-88
• 第五章 中濃紙漿泵湍流發(fā)生器設(shè)計方法的研究88-96
• 5.1 中濃紙漿泵湍流發(fā)生器葉片外徑的確定88-89
• 5.2 湍流發(fā)生器葉片軸向長度的計算89-91
• 5.3 湍流發(fā)生器葉片型的設(shè)計91-93
• 5.4 湍流發(fā)生器葉片進口安放角和出口安放角的確定93
• 5.5 湍流發(fā)生器輪轂和葉片厚度的確定93-94
• 5.6 湍流發(fā)生器設(shè)計方法的實際工程應(yīng)用94-95
• 5.7 本章小結(jié)95-96
• 第六章 中濃紙漿泵內(nèi)部氣液分離的數(shù)值模擬研究96-116
• 6.1 紙漿泵的氣液分離原理96
• 6.2 數(shù)值計算96-102
• 6.2.1 控制方程、湍流模型及非牛頓流體的物理模型選擇97-100
• 6.2.2 邊界條件及計算網(wǎng)格100-102
• 6.3 結(jié)果與分析102-114
• 6.3.1 轉(zhuǎn)速對氣液分離的影響103-106
• 6.3.2 抽氣真空度對氣液分離的影響106-107
• 6.3.3 流量對氣液分離的影響107-108
• 6.3.4 瞬態(tài)氣液分離特征過程108-114
• 6.4 本章小結(jié)114-116
• 第七章 中濃紙漿泵性能試驗研究116-136
• 7.1 中濃紙漿泵試驗臺設(shè)計及試驗方案116-120
• 7.1.1 中濃紙漿泵樣機結(jié)構(gòu)116-117
• 7.1.2 中濃紙漿泵試驗臺設(shè)計117-119
• 7.1.3 試驗方案119-120
• 7.2 中濃紙漿泵性能試驗結(jié)果分析120-133
• 7.2.1 紙漿濃度對泵性能(揚程、效率及出口介質(zhì)的含氣率)的影響121-123
• 7.2.2 真空度對泵性能的影響123-124
• 7.2.3 轉(zhuǎn)速對泵性能的影響124-126
• 7.2.4 揚程比和效率比分析126-129
• 7.2.5 轉(zhuǎn)速對真空度、含氣率的影響129-131
• 7.2.6 不同濃度和轉(zhuǎn)速下所需的真空度值131-132
• 7.2.7 不抽真空時紙漿泵的運行極限132-133
• 7.3 本章小結(jié)133-136
• 第八章 總結(jié)與展望136-140
• 8.1 主要研究成果總結(jié)136-138
• 8.2 創(chuàng)新點提煉138-139
• 8.3 研究工作展望139-140
• 參考文獻(xiàn)140-148
• 附錄1148-149
• 附錄2149-150
• 附錄3150-153
• 附錄4153-154
• 攻讀學(xué)位期間參加的科研項目和取得的科研成果154-158
• 一、參加的科研項目154
• 二、發(fā)表的學(xué)術(shù)論文154-155
• 三、授權(quán)專利155-156
• 四、申請專利156
• 五、參加學(xué)術(shù)會議情況156-157
• 六、獲獎情況157-158
• 致謝158-159

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本文編號：336985