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Numerical investigation on vortex pump

Song, Yang

The vortex pump is a kind of impurity pump. Characteristics of vortex pumps are their recessed, semi-open impeller and their enlarged gap between the impeller and the casing. The gap and impeller give the pump a good non-clogging performance. The pump is widely used in transporting sewage water or mixed liquid containing fiber or large particle. However, vortex pumps are relatively inefficient. Therefore, it is quite necessary to improve the efficiency of the vortex pump. But the flow inside the vortex pump is complicated. The mechanism of its internal flow has not been yet well comprehended. It remains unclear how exactly vortex pumps can be optimized. The current designing theory is based on the centrifugal pump, which is different from three-dimensional flow in the vortex pump. Therefore, the deep study on the internal flow mechanism of the vortex pump is needed. This dissertation investigates the influences of the impeller geometry to the characteristics and the flow mechanism of a vortex pump. The current experimental measurements can hardly see the detail of the entire flow field. In this study, the computational fluid dynamic is used. The three-dimensional model of the vortex pump is built and meshed with high-quality structural grids. Based on CFX, Navier-Stokes equations solved with k-ε turbulence model. The internal flow field of the vortex pump is investigated. The performance curve and the distribution of velocity and pressure are acquired. The impellers with different design parameters, such as blade outlet angle, blade number, blade winglet, is calculated and the results are validated with test data. The influence of design parameters on the characteristic curve is compared. Their mechanism is further discussed. The conclusions are summarized, which will help in the designing theory.
Die Vortexpumpe ist eine Art Abwasserpumpe. Vortexpumpen zeichnen sich durch ein halboffenes Laufrad und einen vergrößerten Spalt zwischen Laufrad und Gehäuse aus. Der Spalt und das Laufrad geben der Pumpe eine gute verstopfungsfreie Funktion. Es wird häufig beim Transport von Abwasser oder gemischten Flüssigkeiten verwendet, die Fasern oder große Partikel enthalten. Vortexpumpen sind jedoch relativ ineffizient. Daher ist es durchaus notwendig, den Wirkungsgrad der Vortexpumpe zu verbessern. Die Strömung in der Vortexpumpe ist jedoch kompliziert. Der Mechanismus seines inneren Flusses ist noch nicht gut verstanden worden. Es bleibt unklar, wie genau Vortexpumpen optimiert werden können. Die derzeitige Auslegungstheorie basiert auf der Kreiselpumpe, die sich von der dreidimensionalen Strömung in der Vortexpumpe unterscheidet. Daher ist eine eingehende Untersuchung des internen Strömungsmechanismus der Vortexpumpe erforderlich. Diese Dissertation untersucht die Einflüsse der Laufradgeometrie auf die Eigenschaften und den Strömungsmechanismus einer Vortexpumpe. Die aktuellen experimentellen Messungen können kaum Details des gesamten Strömungsfeldes erkennen. In dieser Studie wird die rechnerische Fluiddynamik verwendet. Das dreidimensionale Modell der Vortexpumpe wird aufgebaut und die hochwertigen strukturellen Gitter werden generiert. Basierend auf CFX werden Navier-Stokes-Gleichungen mit dem k-ε Turbulenzmodell gelöst. Das innere Strömungsfeld der Vortexpumpe wird untersucht. Die Leistungskurve sowie die Verteilung von Geschwindigkeit und Druck werden erhalten. Die Laufräder mit unterschiedlichen Auslegungsparametern wie Schaufelauslasswinkel, Schaufelnummer und Flügelschaufel werden berechnet und die Ergebnisse mit Testdaten validiert. Der Einfluss von Auslegungsparametern auf die Kennlinie wird verglichen. Ihr Mechanismus wird weiter diskutiert. Die Schlussfolgerungen sind zusammengefasst. Sie werden bei der Entwurfstheorie helfen.