1、过滤器用复合水力推动装置水动力学特性研究,答 辩 人: 吴程程 指导教师: 李芳 于忠臣 专 业: 土木工程 2014年5月,国家大学生创新创业训练计划项目研究报告,Contents,1 概述,2 石英砂过滤器原理及应用现状,3 水力动态反冲砂滤技术思想提出,1 课题研究的背景及意义,4 课题研究目的和内容,概述,1 概述,1.1 课题研究的背景及意义,1 概述,1.2 石英砂过滤器应用现状,1 概述,1,6,5,4,3,2,1.3 水力动态反冲洗过滤器,复合水力推动装置,动态浮油聚集器,油水过滤分配器,螺带式动态刮洗搅拌装置,防冲整流锥形板,回路式反冲洗集配水器,1 概述,1.4 本文研究目
2、的及内容,主要内容,利用翼型设计的基本理论和风力机原理设计和优化转轮,研究不同型式转轮的水力特性，确定水力转轮的优化组合,利用GAMBIT软件构建不同组合转轮模型并进行数值模拟分析,在FLUENT模拟软件中计算转轮在额定流量下的性能，研究转轮特性,2 复合水力推动装置的水力特性研究,3 叶轮受力矩分析,4 装置所需总能量的分析,2 建立叶栅模型叶轮特性,5 叶轮吸能效率及转速影响,主要内容,6 叶轮设计方法,1 转动装置的运行过程分析,2 复合水力推动装置的水力特性研究,2.1 转动装置的运行过程分析,叶片受力分析图,2 复合水力推动装置的水力特性研究,2.2通过建立叶栅模型对叶轮的特性研究,
3、叶轮附近的流体属于管道中流体对叶轮的绕流情况，根据叶栅的流体动力学理论，把叶轮转换成平面叶栅来进行讨论。,叶栅图,速度矢量图,流体为理想流体，且认为有足够长的直管段，可以认为流体进入叶片前，其速度沿管道截面均布，且平行于叶轮轴线，与叶片夹角为。,2 复合水力推动装置的水力特性研究,2.3 叶轮受力矩分析,利用动量定理推导出力矩如下公式,流量一定时，叶轮的转速与输出力矩对应的关系,2 复合水力推动装置的水力特性研究,2.4 装置所需总能量的分析,水轮在管道中的简图,水流以一定的流速通过叶轮，叶轮会受到水流的作用而旋转。,设1-1断面的压力为P1，流速为V，高度为Z1。 断面0-0的压力为P0，高
4、度为Z0。根据伯努利方程有：,设断面0-0与断面1-1的距离为h且等于Z1-Z0 ，且同管径的管道内的流速在两断面上是不相同的，所以,2 复合水力推动装置的水力特性研究,2.5叶轮吸收能量的效率及转速对其影响,根据能量方程可以求出装置需要的总能量H，对外做功消耗的的水头为h,装置的效率=h/H ，最终得到效率方程为,叶轮转速对效率的影响,2 复合水力推动装置的水力特性研究,2.6 叶轮设计方法,3 水力动态反冲洗实验研究,实验装置组成,不同转轮转动特性研究（空载）,不同转轮水阻特性研究（空载）,1,2,3,3 水力动态反冲洗实验研究,轴向涡轮水动力学性能实验台,3.1 实验装置及转轮,直板叶片
5、轴向涡轮,两维翼型叶片轴向涡轮,3 水力动态反冲洗实验研究,3.2 不同转轮转动特性研究（空载）, 流速对转轮转动性能影响,实验通过改变水流流速测量不同流速下不同转轮转速（如图），确定优越的转轮形式。,通过图可以看出，在相同流速下，单个转轮55最优；组合转轮45/55最优。,3 水力动态反冲洗实验研究, 流速对转轮启动转矩影响,实验通过测量转轮的受力来计算转轮启动力矩（如图）。,通过图可以看出，在流速相同的条件下，单个转轮55优越；组合转轮在流速1.5m/s时45/55转轮性能优越。,3 水力动态反冲洗实验研究,3.3 不同转轮水阻特性研究（空载） 流速对转轮水力特性影响实验通过对水流压力损失
6、的测量来计算水头损失（如图）。,通过图可以看出，在相同流速下，单个转轮55水头损失最大，组合转轮，35/55的水头损失较大。,3 水力动态反冲洗实验研究, 流速对转轮阻力特性影响（一）,实验测量了转轮在运动和无穷大加载条件下的阻力系数，单个转轮如图所示：,通过图可以看出，55转轮无论是在正常运转条件下还是在无穷加载条件下阻力系数都是最大的。,3 水力动态反冲洗实验研究, 流速对转轮阻力特性影响（二）,图中可以看出：空载条件下转轮阻力系数为恒定值，与水流速度无关。在加载条件下阻力系数随流速增大而增加，这主要是转轮叶片为低阻力高升力叶片翼型所致。 综合比较得出45/55组合转轮较为理想。,4 基于
7、FLUENT软件的转轮流场模拟,1,2,3,4 基于FLUENT软件的转轮流场模拟,4.1 转轮的三维建模及网格划分,实验所用叶片模型建模过程如图4-1所示：,叶片模型,a 翼型线通过点,b翼型线,4 基于FLUENT软件的转轮流场模拟,4.2 转轮流场模拟计算及分析450/550 组合转轮模拟,残差结果及内部压力如图所示:,迭代计算大约540次左右收敛，历时3小时左右。,450/550 组合转轮计算残差曲线,转轮内部压力等值线图,从图中可以看出，转轮压力沿着径向逐渐降低，入流面与出流面压力相差0.035Mpa，比试验数据高0.015Mpa，这与实际情况基本吻合。,4 基于FLUENT软件的转轮流场模拟,叶片网格,实验所用转轮模型及网格图如图4-2所示，模拟时只采用了45、55和45/55组合转轮进行模拟。,4 基于FLUENT软件的转轮流场模拟,a 转轮叶片翼型压力面压力图,b 转轮叶片翼型吸力面压力图,c 转轮内部速度分布图,d 流体迹线,4 基于FLUENT软件的转轮流场模拟,4.3： 叶轮水动力学理论与实验的验证研究,对装置产生的力矩进行验证,结 论,水力转矩与水力推动装置直径成正比例关系。水力推动装置直径越大，其产生的力矩越大，吸收反冲洗水的能量越多。,请各位老师批评指正,Thank You !,
