离心泵叶轮内盐析晶体颗粒运动及粒径分布特性的研究

摘要

伴有盐析的两相流动过程中，存在晶体物质析出、生长、聚并、破碎及溶解等复杂的微观现象，因此溶液中晶体颗粒数、粒径及化学成分都在不断变化，大大增加了数值研究盐析两相流场的难度。而盐析两相流中晶体颗粒的运动及粒径分布特性直接决定着流体机械内部结盐区域及速率，是盐析理论体系的主要内容之一，但至今仍处于探索阶段。
　　 本文在国家自然科学基金项目“叶轮机械内伴有盐析的液固两相流动的研究”(No.50476068)和教育部博士点基金项目“盐溶液输送过程中的流动与相分离作用机理研究”(No.20060299008)的资助下，以离心泵为研究对象，Na2S04过饱和溶液为输送介质，对不同工况下盐析两相流场中晶体颗粒的粒径分布特性及运动规律进行了较为全面的研究，主要工作及所取得的研究成果如下：
　　 1、简要介绍了盐析两相流及群体平衡模型的国内外研究现状，阐述了盐析晶体的微观行为与群体平衡模型的基础理论，为数值模拟中计算模型的选择奠定理论基础；
　　 2、在前人研究的基础上，设计并加工一台离心泵，为数值计算及实验研究提供研究模型；
　　 3、根据模型泵结构参数运用三维造型软件Pro/E对其进行三维造型，并对泵内部流道区域采用非结构网格划分方法，为提高网格质量及加快求解速度对部分计算区域的网格进行局部加密；
　　 4、考虑盐析两相流中晶体颗粒存在着复杂的微观行为，数值模拟离心泵内部盐析两相流场时，在Mixture双流体模型的基础上引入群体平衡模型(PBM)，以描述盐析两相流中实际存在的相间作用力及各种微观现象，从而获得不同流量、固相体积分数、温度下叶轮内部流场盐析晶体颗粒的粒径分布及组分数分布等信息，得出“大颗粒进入叶片流道内有向压力面聚集的趋势”等结论；
　　 5、介绍了粒子图像测速技术(PIV)的工作原理，并运用该测量系统对离心泵内部盐析两相流场进行测量，以获得叶轮内部流场盐析晶体颗粒精确的运动、粒径分布特性，从而验证了数值计算结果的准确性及群体平衡模型应用于流体机械盐析理论研究的可行性，得到“晶体颗粒相对速度变化较大区域出现在叶片流道的靠近出口处”等结论。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景、目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 盐析两相流的研究现状

1.2.2 群体平衡模型的研究现状

1.3 离心泵内盐析两相流场的实验研究

1.3.1 过程成像技术(PT)

1.3.2 激光多普勒测速技术(LDV)

1.3.3 相位多普勒测速技术(PDPA)

1.3.4 粒子图像测速技术(PIV)

1.4 本文的主要研究内容

第二章 盐析晶体的微观行为

2.1 盐析晶体的成核及生长

2.1.1 盐析晶体的成核

2.1.2 盐析晶体的生长

2.2 盐析晶体的聚并、破碎与老化

2.2.1 盐析晶体的聚并和破碎

2.2.2 盐析晶体的老化

第三章 群体平衡模型基础理论

3.1 群体平衡模型概述

3.2 群体平衡方程的建立及求解

3.2.1 颗粒状态矢量

3.2.2 群体平衡方程

3.2.3 生长和溶解

3.2.4 聚并和破碎

3.3 群体平衡方程求解算法

3.4 CFD-PBM耦合方法

第四章 离心泵内液固两相流场的数值模拟

4.1 模型泵基本参数及三维造型

4.1.1 模型离心泵基本参数

4.1.2 模型泵三维造型

4.2 计算网格

4.2.1 计算网格概述

4.2.2 网格生成

4.3 数值计算

4.3.1 计算模型

4.3.2 初始与边界条件

4.4 数值计算结果与分析

4.4.1 晶体颗粒平均粒径分布特性

4.4.2 晶体颗粒组分数分布特性

第五章 离心泵叶轮内伴有盐析流动的实验研究

5.1 PIV技术

5.2 实验装置与测量系统

5.2.1 盐析两相流实验装置

5.2.2 测量系统及其附件

5.3 实验方案

5.3.1 实验介质

5.3.2 测量区域及断面

5.3.3 测量步骤

5.4 实验结果与分析

5.4.1 晶体颗粒粒径分布特性

5.4.2 晶体颗粒相对速度分布特性

5.4.3 计算与实验结果对比及差异分析

第六章 研究总结与工作展望

6.1 全文总结

6.2 研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

攻读硕士学位期间参加的科研项目