基于群体平衡模型的输卤泵内盐析两相流研究及优化设计

摘要

伴有盐析的两相流是工业上常见的现象，而在输送过程中一旦发生盐析现象会影响设备的正常运行，造成重大损失。而输卤泵作为一种重要的流体输送装置，在采卤和输卤上有着广泛的作用，故研究输卤泵内的盐析两相流动对学术和工程都具有指导意义。 由于传统的CFD数值模拟并未对盐析晶体颗粒的微观现象进行研究，故这种方法对于盐析两相流的分析是不合理的。为更深入地了解泵内盐析两相流，本文在江苏省六大人才高峰项目（2014-ZBZZ-016）的资助下，以自主设计的输卤泵作为研究对象,在双流体模型的基础上加载群体平衡模型，并导入自定义的生长、成核模型。以下为主要的研究工作以及取得的成果： 1.总结了泵内盐析两相流以及叶轮优化设计方法的国内外研究现状，阐述盐析晶体颗粒的微观行为，发现晶体的生长包括表面能量效应，其由最小表面的能量需求控制。一般情况下，在生长过程中，过饱和浓度的高低决定了溶质扩散过程还是表面反应过程对晶体生长起决定性的作用； 2.归纳群体平衡模型的理论知识，考虑粒径、过饱和度等对生长、成核的影响，选择合适的盐析晶体的生长、成核模型，为接下来的数值计算奠定理论基础； 3.利用三维造型软件Proe/E对离心泵进行三维造型，并对泵内流道区域进行网格划分，以CFD—PBM双向耦合方式模拟离心泵盐析两相流场，并用实验进行验证，得到与仅考虑聚并、破碎的PBM模型相比较，计算得到的叶轮流道内的平均粒径、泵的扬程和效率都更接近实验值，证明导入修正过的成核、生长模型之后计算的预测精度更高； 4.在前人研究的基础上，以自主设计的输卤泵作为研究对象，针对不同流量以及不同固相体积浓度下的工况进行数值模拟，发现颗粒平均粒径从叶轮进口处先逐渐减小再逐渐增大，到出口处达到最大； 5.应用Box-Behnken设计方法对叶轮的三个结构参数进行设计，通过响应面法对其进行多目标优化，得到扬程、大粒径颗粒数密度、效率的回归方程，并最终确认最优解。通过最优解模型与原模型两者之间的比较，验证了响应面分析法对于应用于输卤泵内盐析液固两相流性能优化的可行性。

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第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1泵内液固两相流的研究现状

1.2.2泵内盐析两相流的研究现状

1.2.3叶轮优化设计方法的研究

1.3本文主要工作及内容

第二章 盐析颗粒行为及模型基础理论

2.1盐析晶体颗粒的微观行为

2.1.1盐析晶体颗粒的生长理论

2.1.2盐析晶体颗粒的成核理论

2.1.3盐析晶体颗粒的聚并理论

2.1.4盐析晶体颗粒的破碎理论

2.2.1群体平衡模型的概述

2.2.1群体平衡模型的研究现状

2.2.3盐析两相流模型

2.3本章小结

第三章 离心泵内的盐析两相流动研究

3.1模型泵基本参数及三维造型

3.1.1模型离心泵基本参数

3.1.2模型泵三维造型

3.2模型网格划分

3.2.1网格生成技术

3.2.2网格划分

3.3数值计算

3.3.1边界条件

3.3.2实验与验证

3.4数值计算结果与分析

3.4.1叶轮流道内晶体颗粒平均粒径分布特性

3.4.2叶轮流道内晶体颗粒组分数分布

3.4.3蜗壳壁面处晶体颗粒平均粒径分布特性

3.4.4蜗壳壁面处晶体颗粒组分数分布特性

3.5本章小结

第四章 输卤泵内的盐析两相流动研究

4.1输卤泵参数及三维造型

4.2数值方法

4.3数值计算结果与分析

4.3.1叶轮流道内晶体颗粒平均粒径分布特性

4.3.2叶轮流道内晶体颗粒组分数分布特性

4.4本章小结

第五章 输卤泵内叶轮多目标的优化设计

5.1响应面分析及目标函数

5.1.1响应面分析概述

5.1.2目标函数定义

5.2基于响应面法的优化

5.2.1响应面优化分析

5.2.2响应面优化流程

5.2.3响应面实验设计

5.2.4影响扬程的参数间相互作用

5.2.5影响大粒径颗粒数密度的参数间相互作用

5.2.6影响效率的参数间相互作用

5.3响应面法的优化结果

5.3.1优化数学模型

5.3.2优化结果

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1工作总结

6.2工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文及其他科研成果