基于CFD--PBM耦合模型的离心泵气液两相流动特性研究

摘要

泡状入流条件下，气泡在离心泵内发生聚并和破碎现象，气泡积聚到一定程度，会形成气团或者气囊，从而影响离心泵的扬程和效率，导致离心泵的性能下降，甚至影响到整个系统的安全稳定性。因此，研究泡状入流条件下离心泵内的流动特性至关重要。本文通过数值模拟对泡状入流条件下离心泵内气液两相流动特性进行研究，并采用实验验证了数值模拟方法的准确性，探究了入口体积含气率、液相流量和转速等参数对离心泵扬程和效率的影响规律，主要成果如下： (1)建立了基于CFD-PBM(CFD-Population Balance Model)耦合模型的离心泵气液两相流数值模拟方法，与基于Eulerian-Eulerian模型的数值方法相比，该方法模拟结果与实验结果吻合更好，尤其是入口体积含气率较高时，能够更加有效的模拟气泡在离心泵内的聚并、破碎、分离等动力学行为，进而准确预测泵的“喘振”特性。 (2)获得了入口体积含气率、液相流量和转速等参数对离心泵扬程和效率的影响规律。离心泵的扬程和效率随着入口含气率的增大而降低，随着转速的增大而增大。当入口体积含气率从3%增加到5%时，气泡形成气团滞留在叶轮流道内，无法随液相排出，离心泵扬程出现了突降现象，亦即发生了“喘振”；此外，随着液相流量的增大，离心泵的扬程和效率先降低后升高。 (3)离心泵扬程和效率等外特性的变化规律与泵内截面含气率及气泡尺寸分布直接相关。随着入口体积含气率的增大，离心泵截面含气率逐渐增大，大气泡占比也不断增大。验证了已有的截面含气率和气泡尺寸预测模型，其中Estevam模型和Pineda模型预测截面含气率时适应性较好，误差不超过±20%；Gamboa模型预测的气泡尺寸相对误差不超过±30%，且入口体积含气率越大预测误差越小。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.2.1 离心泵内部气液两相流动的可视化实验研究

1.2.1 离心泵内部气液两相流动的数值模拟研究

1.2.3 CFD-PBM耦合模型在泡状流模拟中的应用研究

1.2.4研究现状总结

1.3 本文的主要研究内容

2.1 气液两相流基础理论

2.1.1 气液两相流的特性参数

2.1.2 气液两相流的流型

2.2 气液两相流泵的扬程和效率

2.3 泵内气液两相流流型

2.4 本章小结

3 离心泵气液两相流数值计算方法

3.1 离心泵的主要参数和几何模型

3.2 网格划分

3.3 多相流模型

3.3.1 三种模型比较

3.3.2 Eulerian-Eulerian模型

3.3.3 相间作用力

3.4 湍流模型

3.4.1 湍流模型选择

3.4.2 Realizable k-ε模型

3.5 模拟方案

3.5.1两相流数值计算设置

3.5.2气液两相流数值模拟方案

3.6 监测点设置

3.7 本章小结

4 基于CFD-PBM耦合模型的数值模拟方法验证

4.1 离心泵气液两相流实验

4.1.1 实验系统

4.1.2 实验方法与步骤

4.2 实验验证

4.2.1 单相实验验证

4.2.2 两相非定常计算设置

4.2.3 实验与数值模拟结果对比

4.2.4 与Eulerian-Eulerian模型对比

4.3 本章小结

5 离心泵气液两相流动特性

5.1 入口体积含气率的影响

5.1.1 气相分布图

5.1.2 速度流场

5.1.3 湍动能分布图

5.1.4 截面含气率（αG）

5.1.5 各监测点压力脉动结果

5.1.6 叶轮受力分析

5.2 液相流量的影响

5.2.1 气相分布图

5.2.2 速度流场

5.2.3 湍动能分布图

5.2.4 截面含气率（αG）

5.3 转速的影响

5.3.1 气相分布图

5.3.2 速度流场

5.3.3 湍动能分布图

5.4 本章小结

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间主要研究成果