气液两相介质下液力透平基本方程和换算关系曲线的研究

摘要

液力透平可以回收高压液体的能量，将其压力能转换为机械能，驱动泵、风机等工作机做功或者用于发电。液力透平主要形式之一是用泵反转作透平，包括单级和多级结构。泵反转作透平具有可以批量生产、结构简单、质量稳定、成本低、应用广泛和性能可靠等优点。在工业装置中需要回收高压液体的压力、流量千差万别，需要的液力透平种类很多。这就要求泵反转作透平需具有较为准确、快捷的选型方法。一般情况下液力透平的工作介质有纯液和液体中含有一定量气体两种工况。在这两种工况下利用泵反转作液力透平时，就需要研究液力透平的基本方程;研究液力透平的内、外特性如何变化;以及泵反转作液力透平如何选型等问题。本文选用比转速为23.1、41、55.7、84.5的四种低比转速单级单吸离心泵反转作透平，以气液两相流理论为基础，利用理论推导、数值模拟方法对上述问题进行研究。
　　 1、方程的推导。对于液力透平介质含气工况，在常温常压下，当气体体积含量不超过20％时，忽略介质内能的变化，仅考虑压力变化引起的气体膨胀。由于气体具有可压缩性，且存在气液两相分离，动量矩定理不在适用气液两相介质下液力透平基本方程的推导。本文从功能转换基本原理出发，根据热力学第一定律，推导出液力透平在气液两相介质下的基本方程。结果表明液力透平介质含气工况和纯水介质工况的能量方程不同。
　　 2、液力透平的外特性及性能预测。数值计算结果表明:介质含气时液力透平的压头增大，功率和最优效率减小，最优效率流量减小。不同比转速透平的压头随着体积含气率的增加而增大，效率和功率则减小。透平在纯水介质工况和介质含气工况与泵的压头换算系数h、流量换算系数q均大于1，且比转速较大的透平对应着较小的h、q值;效率换算系数λ均在0.9～1之间，变化很小;功率换算系数p的变化均没有规律性。透平介质含气工况的q、p、λ值均小于纯水介质工况的值，h值的大小则不定。
　　 3、回归分析法。回归分析可应用于泵作透平性能预测的研究。使用回归分析可得到最优工况时泵与透平的换算系数曲线h—nsp、q—nsp和nst—nsp的数学方程式，由此可根据透平工况选择合适的泵。不同比转速透平的扬程、功率无因次特性曲线基本相同，可分别回归成一条特性曲线，用来研究透平在非设计工况的性能。而不同比转速透平的效率无因次特性曲线差别较大。
　　 4、液力透平的内流场。液力透平内部压力从蜗壳进口到叶轮出口递减，各流道的压力分布不对称，压力梯度不均匀，叶片背面压力小于叶片工作面压力。透平进出口压差随着含气率的增大而减小，随着流量的增大而增大;在叶片工作面和背面存在较大的漩涡区域，含气率和流量分别增大时，气液混合流体相对速度变大，叶轮中的流动有所改善;气体的体积分数从蜗壳进口到叶轮出口逐渐变大，气体在叶轮中分布不均匀，各流道的气体分布不对称，叶片工作面含气率小于叶片背面。不同比转速的泵反转作透平，比转速越大时，透平内部流动越好。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 流体压力能回收设备概述

1．2．2 泵反转作液力透平

1．2．3 PAT应用的其他一些问题

1．3 气液两相流泵研究现状

1．3．1 气液两相流研究进展

1．3．2 气液两相流泵研究现状

1．3．3 气液两相流泵反转作透平的研究现状

1．4 本文研究内容的提出

第2章 液力透平基本方程的推导

2．1 纯水介质时液力透平基本方程的推导

2．2 介质含气时液力透平的基本方程

2．3 本章小结

第3章 CFD数值计算的基本理论

3．1 计算流体动力学概述

3．2 多相流的数值模拟

3．2．1 概述

3．2．2 多相流数值模型

3．2．3 多相流模型的选择

3．3 两相流控制方程

3．4 湍流模型和离散方法

3．5 液力透平模型建立和网格划分

3．5．1 计算区域的选择

3．5．2 液力透平叶轮和蜗壳的建模

3．5．3 网格的划分和质量检查

3．6 计算模型设置及边界条件

3．7 计算结果收敛判定

3．8 本章小结

第4章 液力透平的性能预测

4．1 数值试验方案

4．2 试验结果

4．3 纯水介质时液力透平的性能预测

4．4 气液两相介质工况下液力透平性能预测

4．5 液力透平非最优工况性能预测

4．5．1 纯水介质时液力透平非最优工况性能预测

4．5．2 气液两相介质时液力透平非最优工况性能预测

4．6 本章小结

第5章 不同介质下液力透平的性能分析

5．1 纯水介质工况液力透平性能分析

5．2 气液两相介质工况液力透平性能分析

5．3 含气率对液力透平性能的影响

5．4 本章小结

第6章 液力透平内部流动特性分析

6．1 含气率变化时透平内流场分析

6．1．1 不同比转速液力透平变含气率下的静压力分布

6．1．2 不同比转速液力透平变含气率下的速度矢量分布

6．1．3 不同比转速液力透平不同含气率下的气相分布

6．2 不同比转速液力透平变工况内流场分析

6．2．1 不同比转速液力透平变工况的静压力分布

6．2．2 不同比转速液力透平变工况的速度矢量分布

6．2．3 不同比转速液力透平变工况的气相分布

6．3 本章小结

结论与展望

1 结论

2 存在的不足与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表的论文