用于剪切稀化非牛顿流体输送的离心泵叶轮及其设计方法与流程

本发明涉及水泵领域，尤其涉及一种用于剪切稀化非牛顿流体输送的离心泵叶轮及其设计方法

背景技术：

1、离心泵应用广泛，对于化工业、农业、食品加工等行业极其重要。而常规的离心泵大多数是用于输送牛顿流体介质。对于非牛顿流体而言，由于其流动不符合牛顿摩擦定律，粘性比牛顿流体大，在使用离心泵输送前，往往需要对其进行稀化，使其流动性增强，便于输送。而现有离心泵尚且无法同时具有稀化非牛顿流体的功能作用，需要配合专用稀化设备先进行稀化，再配合离心泵使用，致使输送非牛顿流体涉及设备多，不仅增加设备成本，还增加设置、维修、更换的时间成本和硬件成本。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题而提供一种用于剪切稀化非牛顿流体输送的离心泵叶轮及其设计方法，通过在离心泵叶轮的进水管的内壁增加若干层、每层若干片剪切叶片，在运行时剪切叶片跟随叶轮一起转动，渐进式地对非牛顿流体介质进行剪切稀化，并使离心泵叶轮的进口预旋速度达到要求，通过剪切叶片稀化流体、降低粘度、减小流动损失，用以提高离心泵效率，实现一个设备即满足稀化非牛顿流体要求、又满足输送效率的要求。

2、本发明的上述技术目的主要是通过以下技术方案解决的：用于剪切稀化非牛顿流体输送的离心泵叶轮，包括叶轮叶片，设置在叶轮叶片两侧的前盖板和后盖板，与前盖板一体结构的进水管，所述进水管的背离前盖板的一端为叶轮进口，其特征在于所述进水管的内壁从叶轮进口处依次往内设置若干层剪切叶片，每层设置若干片呈圆周均匀布置的剪切叶片，以叶轮的轴线方向为竖直方向，以垂直于叶轮轴线方向为水平方向，第一层的剪切叶片与水平方向垂直设置，第二层至第n层的剪切叶片均朝向叶轮旋转方向倾斜并与水平方向呈夹角设置，n＞2。

3、本技术方案通过在离心泵叶轮的进水管的内壁增加若干层、每层若干片剪切叶片，在运行时剪切叶片跟随叶轮一起转动，渐进式地对非牛顿流体介质进行剪切稀化，并使离心泵叶轮的进口预旋速度达到要求，通过剪切叶片稀化流体、降低粘度、减小流动损失，用以提高离心泵效率，实现一个设备即满足稀化非牛顿流体要求、又满足输送效率的要求。

4、本技术方案同时对剪切叶片的设置方式进行限定，有利于提高稀化非牛顿流体介质的效率。

5、作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明采用如下技术措施：第二层至第n层的剪切叶片的倾斜角度依次递增，且每层剪切叶片的倾斜角度相同。进一步优化剪切叶片的设置方式，有利于进一步提高稀化非牛顿流体介质的效率及效果。

6、作为优选，每层剪切叶片的数量均与叶轮叶片的数量保持一致，所述剪切叶片均呈三角形，所述剪切叶片上顶角所对应的长底边朝向所述叶轮叶片旋转的方向设置。有利于稀化非牛顿流体介质的同时，减小水力损失，保证离心泵的效率。

7、作为优选，所述剪切叶片的顶角为θ，θ＝30°～150°，最小底角为γ，γ＝10°～45°，高为h，h＝(0.01～0.1)r1，底边边长为c，其中，r1为叶轮进口的内径。

8、作为优选，所述剪切叶片的厚度为b，b＝(0.1～1.0)b，第一层的剪切叶片与叶轮进口之间的距离为l1，l1＝(0～0.05)x；第n层的剪切叶片与叶轮进口之间的距离为l2，l2＝(0.05～0.15)x，其中，b为叶轮叶片的厚度；x为叶轮进口至叶轮叶片上缘的距离。

9、作为优选，第一层至第n层的剪切叶片的倾斜角分别为β1、β2……βn，其中，vz为叶轮进口的非牛顿流体轴向流速；vu1为叶轮叶片的进口预旋圆周速度。

10、作为优选，相邻层剪切叶片之间的间距为l，其中，β1、β2……βn分别为第一层至第n层的剪切叶片的倾斜角，l2为第n层的剪切叶片与叶轮进口之间的距离，l1为第一层的剪切叶片与叶轮进口之间的距离，x为叶轮进口至叶轮叶片上缘的距离，c为底边长。

11、本发明涉及另一技术主题：用于剪切稀化非牛顿流体输送的离心泵叶轮的设计方法，其特征在于所述离心泵叶轮为上述各技术方案所述的用于剪切稀化非牛顿流体输送的离心泵叶轮，其设计步骤包括：

12、s1、计算叶轮进口的非牛顿流体轴向流速：

13、s2、设计剪切叶片：

14、s211，计算第n层的剪切叶片的倾斜角βn；

15、s212，第n层的剪切叶片的截面形状为三角形，设计三角形参数，三角形参数包括顶角θ，最小底角γ，高度h，厚度b，底边边长c；

16、s213，同一层的相邻剪切叶片间隔设置，需控制三角形底边边长。

17、s221，设计第n-1层至第一层的剪切叶片；

18、s222，确定各层剪切叶片的倾斜角；

19、s231，确定各层剪切叶片的位置。

20、进一步优选，在s1步骤中根据公式

21、计算叶轮进口的非牛顿流体轴向流速，式中，q为离心泵流量；vz为叶轮进口轴向速度；r1为叶轮进口半径；

22、在s211步骤中根据公式

23、计算第n层的剪切叶片的倾斜角βn，式中，vz为叶轮进口非牛顿流体轴向流速；vu1为叶片进口预旋圆周速度；

24、在s212步骤中根据公式

25、

26、设计第n层的剪切叶片的三角形参数，三角形参数包括顶角θ，最小底角γ，高度h，厚度b，底边边长c；

27、在s213步骤中根据公式

28、确定同一层的相邻剪切叶片间隔设置，控制三角形底边边长，若式(3)计算出的c值不满足式(4)，则重新设计三角形参数，直到满足式(4)为止；

29、在s221步骤中根据公式并结合式(2)，设计第n-1层至第一层的剪切叶片，第n-1层至第一层的剪切叶片的截面形状为三角形，其参数与第n层的剪切叶片各参数一致，各层倾斜角成梯度变化；

30、在s222步骤中根据公式βn-s＝βn+sδβ，确定各层剪切叶片的倾斜角，

31、式中，s为整数，取值范围为1<s≤n-1；

32、在s231步骤中根据公式确定各层剪切叶片的位置，

33、式中，l1为第一层的剪切叶片与叶轮进口之间的距离，l2为第n层的剪切叶片与叶轮进口之间的距离，各层间距l>0，如不满足要求，则需要返回s211至s213，重新设计，直到满足要求为止。

34、用于剪切稀化非牛顿流体输送的离心泵叶轮的设计方法，还包括评判剪切叶片对非牛顿流体的剪切稀化效果的步骤，其步骤包括：

35、设计好剪切叶片后，将相应非牛顿流体粘度变化的udf(即自定义函数)植入cfd数值模拟软件中，通过数值模拟，分析添加剪切叶片后的离心泵的效率增加值，评判剪切叶片的剪切稀化效果，剪切叶片的各参数取值可在取值范围自行选择，如果不满足要求，则返回至步骤s211，调整进口预旋圆周速度vu1，重复s211-s231步骤，继续模拟直到达到要求，其中，进口预旋圆周速度vu1可根据经验进行假设，或通过cfd数值模拟、试验测试得出，剪切稀化效果值ε的取值范围为0.1％～30％。

36、其中，udf为自定义函数，cfd是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的交叉科学。它是将流体力学的控制方程中积分、微分项近似地表示为离散的代数形式，使其成为代数方程组，然后通过计算机求解这些离散的代数方程组，获得离散的时间/空间点上的数值解。

37、本发明具有的有益效果：通过在离心泵叶轮的进水管的内壁增加若干层、每层若干片剪切叶片，在运行时剪切叶片跟随叶轮一起转动，渐进式地对非牛顿流体介质进行剪切稀化，并使离心泵叶轮的进口预旋速度达到要求，通过剪切叶片稀化流体、降低粘度、减小流动水力损失，用以提高离心泵效率，实现一个设备即满足稀化非牛顿流体要求、又满足输送效率的要求。