脱硫除尘离心泵结构设计及流场模拟分析

0 引言

早期的离心泵研制主要基于Euler理论、一元理论、二元理论和流动相似理论等进行水利设计和模型换算，设计人员是否具备丰富的工程经验是决定离心泵设计成功与否的关键[1]。随着计算机技术的不断发展，采用新的虚拟样机技术对离心泵的水力模型、结构等进行优化设计已变得不可或缺，常用的方法有[2]：试验优化设计、准则筛选法优化设计、速度系数优化设计、损失极值法优化设计、完全优化设计和计算流体动力学（CFD，Computational Fluid Dynamics）优化设计等。

工业上为实现脱硫功能，通常对化工泵进行改进，但改进后的化工泵工作效率较低，达不到节能环保的要求、而且工况不适合脱硫除尘用泵的要求[3]。针对传统离心泵在这一方面的不足，在对离心泵进行水力设计的基础上，采用 CFD技术对所设计离心泵内部流场进行数值模拟，以期改进离心泵的工作性能，提高工作效率，满足节能环保要求，脱硫除尘离心泵设计技术路线如图1所示。

经过对BIM技术在建筑工程全过程项目管理中的实际应用分析，发现BIM技术在建筑工程全过程项目管理中具有一定的协调性，且这种协调性也多呈现在建筑工程全过程项目管理的多个方面。具体而言，一般情况下，建筑工程在建设的过程中，采用的为分包制的建设与管理方式，这使得建筑工程涉及到的组成单位比较多，很难对建筑工程进行统一化与整体化的信息交流，进而使得建筑工程的协调性比较差。

  

图1 技术路线Fig.1 Technical route

1 水力设计

采用速度系数法对脱硫除尘离心泵的水力设计进行计算[4]，其中：转速 n = 2 900 r/min，流量 ，扬程h = 60 m。

（1）进行预控严格控制钻孔桩钻孔工艺，做好泥浆护壁，防止浇筑混凝土过程中，孔壁坍塌；另外从混凝土拌制与浇筑过程入手控制，控制最小水泥用量和和易性，保证混凝土沿孔壁能顺利上升。

考虑到脱硫除尘离心泵所针对的流体介质为酸性介质，选取具备良好的抗酸碱腐蚀性能和具有一定机械强度的硬聚氯乙烯作为叶轮的材料。

计算得：脱硫除尘离心泵总效率=0.745。

2 脱硫除尘离心泵叶轮设计

本次设计的脱硫除尘离心泵为单吸式叶轮，泵的比转数水力效率容积效率为机械效率

准确称量50 g各干燥模式下最终毛叶山桐子，放入小型榨油机进行压榨，收集毛油，测定各组中毛叶山桐子果实榨取的毛油质量，重复3次，按照公式（4）计算出油率，并进行对比。

2.1 叶轮设计

1）计算脱硫除尘离心泵的吸入口、出口直径泵的进口流速= 2 .5 m/s ，脱硫除尘离心泵的吸入口直径 == 7 2.3 mm，脱硫除尘离心泵的出口直径= 7 5～52.5 mm。

2）叶轮进口直径的确定

叶轮当量直径：

本文中所涉及变量的数据主要来源于各省（市、区）发布的历年统计年鉴，部分根据 《中国工业统计年鉴》和 《中国能源统计年鉴》中相关数据直接获得或计算得到，其中2017年的数据来源于各省 （市、区）发布的2017年国民经济和社会发展统计公报。为了消除各年价格因素的影响，本文以2000年为基期，利用国内生产总值指数对名义GDP进行平减处理。

目前我国对于硒含量等级划分暂时没有国家标准，国内知名地矿专家李家熙[1]等人根据土壤中的硒质量分数分为低硒土壤(0.1～0.2mg/kg)、 中 硒 土 壤 (0.2～0.4mg/kg)、 富 硒 土 壤(0.4～3.0mg/kg)和高硒土壤（>3.0mg/kg）。按照该标准，区内土壤样品中35组属低硒土壤，约占3.6%；中硒土壤样品151组，占17.1%；富硒土壤样品699组，占全部样品的77.8%，高硒土壤样品17组，占1.5%，工作区富硒土壤面积3059.2km2，分布非常广泛。

 

考虑通常情况下的取值是 ～范围内因此，此处设计选用的出口安放角。

轮毂直径：

 

式(2)中：脱硫泵轴径 d = 1 4 mm 。

叶轮进口直径 == 6 4.19 mm。

3）叶轮出口直径 的确定

《考核办法》下发后，汉江流域内河南省、湖北省、重庆市、四川省、陕西省和甘肃省对本省（直辖市）用水总量指标进行了分解。通过与流域内各省（直辖市）的沟通和协调，在符合《综合规划》和在不突破国务院下达的各省（直辖市）用水总量管理指标的前提下，基本确定汉江流域2015年、2020年、2030年用水总量管理指标分别为 160 亿 m3、184 亿 m3、187 亿m3，并将汉江流域用水总量管理指标进一步细化分解到地级行政区。

 

5）叶轮入口宽度的确定

叶轮出口宽度的计算公式[3]：

 

4）叶轮出口宽度的确定

首先确定叶轮入口速度，再计算叶轮入口宽度。

叶轮出口直径 ：

 

式(7)中：速度系数 = 0 .48。

 

6）叶片进出口安放角的确定

叶片推荐的进口角 =，冲角。

在对照组方案基础上，再予自拟益胃养阴汤治疗，药物组成：玉竹15 g，沙参12 g，生地黄10 g，牡丹皮9 g，麦门冬15 g，天门冬15 g，赤芍10 g，海螵蛸10 g，白芍30 g，甘草9 g。1剂/d，水煎取汁300 mL，分早晚2次口服。治疗1周为1个疗程，共2个疗程。

由于 ，选定进口安放角。

式(1)中：为叶轮进口系数，考虑到脱硫除尘离心泵汽蚀和效率，选取=4.0。

若f(x)∈C[a,b]I D[a,b]，则∃ξ∈(a,b)，使得 f(b)+f(a)=f′(ξ)(b-a)。

7）叶片数Z的确定。

造成中小企业融资困境最主要有三个原因：第一点是信息不对称导致的中间调查成本过高。第二点是缺乏足够的抵押担保，导致银行对中小企业贷款风险有疑虑。第三点是缺乏系统完善的法律体系。这其中有中小企业内部原因，如平均素质偏低、经营管理不科学、信用意识淡薄、抵押担保能力不足。也有外部原因，如银行等金融机构因为道德风险以及无法收集到真实准确的企业信息。

 

8）叶片厚度的计算和叶片包角的选择计算叶片厚度：

 

式(7)中：系数A与比转速和材料相关，查表[4]可取 A = 4.5。

一般情况下，叶片包角选择，由于泵的比转数较低，叶片包角取。

2.2 叶片的绘型

综上所述，经过综合考虑，叶轮的主要几何参数如表1所示。

大肠癌为临床常见恶性肿瘤，包括直肠癌与结肠癌等[10]。依据发病率由高到低排列，直肠癌发病率居于首位，其次为乙状结肠，再次为升结肠、横结肠、降结肠等，盲肠发病率最低[11]。高鹏程等[12]研究指出：腹腔镜下大肠癌根治术后，病人会发生不同程度地胃肠功能异常，但与常规开腹手术相比，其胃肠功能影响较小，可一定程度上缩短病人术后进流质时间、术后进普食时间、术后肛门排气时间及术后下床活动时间等[13-15]。

 

表1 叶轮的主要几何参数Table 1 The main geometric parameters of the impeller

  

参数 计算结果 最终结果泵的吸入口直径Ds 72.3mm 70mm泵的出口直径Dd 75～52.5mm 70mm叶轮进口直径Dj 64.19mm 65mm叶轮出口直径D2 198mm 210mm叶轮出口宽度b2 9.3mm 10mm叶轮入口宽度b1 14.2mm 15mm叶片进口安放角β2 23°～40° 25°叶片出口安放角β2 16°～40° 30°叶片数Z 5.885 6叶片厚度S 6mm 6mm叶片包角 90°～120° 120°

3 脱硫除尘离心泵涡室主要结构参数计算

3.1 基圆直径和涡室进口宽度计算

基圆直径

 

综合考虑，的取值为220 mm。

 

3.2 涡室各断面面积计算

为便于计算和绘型，选用圆形涡室，并8等分。涡室断面的平均速度为：

 

式(5)中：

教师：四、六级不是学习英语的终极目标。只是检验水平的标尺。大学英语学习为以后的工作准备，是工作能力的一部分，长远发展的要求。四、六级的改革，促进教学的改革。外语教学存在浮躁之风。

各断面面积计算公式为：

 

式(8)中：i分别取 1～8。

涡室各断面面积计算结果如表2所示。

 

表2 涡室断面面积数据Table 2 Cross-sectional area data of vortex chamber

  

断面 1 2 3 4 5 6 7 8面积/mm2 52.84 105.68 158.52 211.36 264.2 317.04 369.88 422.72

3.3 脱硫除尘离心泵吸水室水力设计

吸水室进口直径 Ds是：

 

综合考虑，取 D s= 7 0 mm 。

播前要进行深耕整地，深耕25厘米以上，纵横细耙2～3遍，根据当地种植习惯作畦。最好是起垄栽培，垄高15～20厘米（平顶垄），垄沟宽20厘米。种2行垄面宽50厘米，种3行垄面宽70厘米。

4 脱硫除尘离心泵三维建模与内部流场分析

CFD技术是流体力学和计算机技术相互融合交叉的一门新兴学科，通过计算机数值计算和图像显示，对流体力学的各类问题进行数值模拟实验和计算分析研究，其结构一般由前处理、求解、后处理三部分组成[5]。目前比较常用的 CFD软件有：CFX、ICEM、Fluent、comsol、CFturbo和PumpLinx等。为预测离心泵内部流场情况，采用 CFD技术对脱硫除尘离心泵进行数值模拟计算，利用CFturbo软件进行离心泵三维建模前处理，利用PumpLinx软件对内部流场进行求解计算，在此基础上处理相关计算结果，得到离心泵内部压力、速度和汽蚀的特性情况。

4.1 脱硫除尘离心泵三维建模

CFturbo是专业的叶轮及蜗壳设计软件，操作方便，广泛应用于离心泵、离心风机、涡轮等旋转机械的设计[6-8]。将所设计的参数导入CFturbo软件中，通过参数设定即可得到初始设计的离心泵三维模型。图2和图3表示的是离心泵叶轮三维示意图和模型，图4所示的是蜗壳三维模型，图5所示的是叶轮与蜗壳过流部件配合模型。

  

图2 离心泵叶轮三维示意图Fig.2 Centrifugal pump impeller three-dimensional diagram

  

图3 离心泵叶轮三维模型Fig.3 Centrifugal pump impeller three-dimensional model

  

图4 离心泵蜗壳三维模型Fig.4 Centrifugal pump volute three-dimensional model

  

图5 叶轮与蜗壳过流部件配合模型Fig.5 The model of impeller and volute parts with the flow

4.2 脱硫除尘离心泵网格划分

将建模完成的脱硫除尘离心泵三维模型导入PumpLinx软件中，使用笛卡尔网格生成器对模型进行网格划分[9]，如图6所示。

  

图6 网格划分后模型Fig.6 Model after meshing

4.3 模拟边界条件设定

在PumpLinx软件中设置模拟条件，包括介质的密度、温度、运动粘度、饱和蒸气压和体积弹性模量等，具体设置如表3所示。

 

表3 边界条件参数Table 3 Boundary condition parameters

  

参数名称 参数值流体介质 水密度 998.2kg/m3参考温度 20℃运动粘度 1×10-6m2/s饱和蒸气压 2338.8Pa体积弹性模量 2.18×109

4.4 离心泵内部流场模拟

设定边界参数后，经过PumpLinx软件模拟后，即可得到离心泵内主要指标的残差曲线图，如图 7所示。设定迭代次数为2000步，当迭代到1100步时，各指标基本趋于稳定。

  

图7 残差曲线图Fig.7 Residual curve graph

图8～ 10分别为脱硫除尘离心泵压力云图、速度云图和气蚀云图。

  

图8 离心泵压力场分析云图Fig.8 Centrifugal pump pressure field analysis cloud

  

图9 离心泵速度场分析云图Fig.9 Centrifugal pump velocity field analysis cloud

  

图10 离心泵气蚀分析云图Fig.10 Centrifugal pump cavitation analysis cloud

由图8可知，叶轮吸入口附近的液体所受到的压力最小，近似等于 1个标准大气压，约为0.101 MPa。从吸入口到出口，压力逐渐增大，在叶轮边缘位置达到0.668 MPa，各流道压力分布均匀，没有明显的突变现象，泵的压力分布表现出对称性。由于介质在蜗壳中流动，蜗壳中压力分布基本均匀，其速度是一个慢慢下降的过程。可见，蜗壳中能量损失较小，该泵的蜗壳设计是合理的。

由图9可知，离心泵在正常工作时，蜗壳中的流速是基本相同的。当液体进入叶轮内部时，由于叶轮转速较大，液体在叶轮通道内逐渐被加速，在蜗壳壁附近速度达到最大，约为52.731 m/s，未出现漩涡现象。可见，离心泵内液体的流速分布是合理的。

从图 10可知，离心泵内部发生气蚀现象，主要集中在叶轮的边缘位置，最大气蚀量为2.45625× ，汽蚀对叶轮的影响可忽略不计。由于蜗壳与叶轮间有一定的间隙，导致叶片前进面的叶轮与蜗壳接触处受汽蚀影响较严重，蜗壳和叶轮中心位置没有发生明显的气蚀现象，汽蚀在整个叶轮中分布相对较均匀，影响较小。可见，叶轮材料选用硬聚氯乙烯，其机械强度满足工作要求。

对于批发企业前期的大量不符合 “两票制”规定的库存药品，笔者认为可以用两种方式予以解决：一是给予药品批发企业一段时间的过渡期，规定在过渡期内不符合“两票制”规定的库存药品依然能够销售至公立医疗机构，让批发企业前期库存得以消耗，减少其损失；二是在“两票制”执行时间的认定上，以上游发票开具日期作为依据，上游发票开票日期在“两票制”执行日期之前的可以暂不执行“两票制”。以上两种方式可单独或结合使用，均可以有效解决批发企业的库存药品问题。

5 结论

1）采用速度系数法对脱硫除尘离心泵进行水力设计，计算得到了叶轮和蜗壳的主要结构参数。

2）采用CFturbo软件内置设计模块，完成了脱硫除尘离心泵的叶轮和蜗壳的三维建模。

3）利用Pumplinx软件对叶轮和蜗壳进行网格划分，并分别对离心泵内部压力、速度、汽蚀进行数值模拟与分析。模拟结果表明，所设计的脱硫除尘离心泵结构合理，满足使用要求。通过上述分析，对离心泵使用性能的进一步研究与优化奠定了基础。

参考文献：

[1]牟介刚. 离心泵现代设计方法研究和工程实现[D]. 杭州: 浙江大学, 2005.

[2]廖福. 离心泵叶轮的优化设计与内部流场分析[D]. 广州: 广东工业大学, 2015.

[3]孙珺. 脱硫除尘离心泵参数优化及其性能预测研究[D].芜湖: 安徽工程大学, 2014.

[4]关醒凡. 现代泵理论与设计[M].北京:宇航出版社,2011.

[5]董亮, 刘厚林. 叶片泵CFD数值计算实例详解[M]. 北京: 机械工业出版社, 2015.

[6]郭建平,高忠信,覃大清,等. 高扬程大流量离心泵CFD水力优化设计[J]. 排灌机械工程学报,2013, 31(3):220-224.

[7]王志坚,佟亮,李璐璐,等. 基于 CFD的离心泵内部三维流动数值模拟和性能预测[J]. 流体机械, 2012,40(6):14-18.

[8]朱荣生,欧鸣雄. 低比转数双吸离心泵回流问题的CFD研究[J]. 农业机械学报, 2009, 40(4):82-85.

[9]马飞红,唐铃凤,徐彬雪,等. 基于 CFD的离心泵结构参数优化[J].重庆文理学院学报, 2016, 35(5):49-56.