离心泵内部固液两相流动数值模拟与磨损特性研究

摘要

固液两相输送离心泵在国民经济各行业应用广泛，但这类泵存在以下关键技术难题，一是由于存在固体物质导致效率低，二是由于磨损问题而导致的可靠性差，这两个问题一直制约着固液两相输送离心泵的研制和应用。
　　本文以固液输送流道式离心泵为研究对象，对其水力性能和磨损性能开展计算和实验研究。首先通过对固液两相流场中颗粒所受作用力进行分类和量级分析，确定了颗粒直径和所受作用力的关系，提出固液两相的流动和磨损计算模型;针对不同直径颗粒，分别采用Mixture模型和DPM模型结合UDF引入颗粒体积效应的影响，对不同体积分数的固液两相流动进行数值计算，并在此基础上进行了内部流动对性能的影响以及磨损规律分析;搭建固液两相实验台对流道式离心泵进行固液两相流动工况下的外特性实验研究;最后基于理论分析，推导出设计流量点固液混输工况的扬程下降率预测公式，可供实际工程使用。
　　论文的主要工作和结论具体如下:
　　1.确立了离心泵内部固液两相流场的流动和磨损计算模型。
　　首先根据液体与颗粒之间的相互作用关系，将作用力进行分类;然后将各作用力与流动阻力进行量级对比分析，确定颗粒直径与作用力的关系，在此基础上确定相应的两相流模型;考虑湍流扩散对颗粒的影响，建立基于随机游走方法的颗粒轨迹计算模型，并选择单颗粒磨损模型结合泰勒级数展开，确定颗粒碰撞磨损计算模型。
　　2.数值模拟并验证了离心泵内部的固液两相流场。
　　分别选择基于欧拉-欧拉方法的Mixture两相流模型和基于欧拉-拉格朗日方法的DPM两相流模型对离心泵内部固液两相流场进行数值模拟，并将离心泵性能参数的计算值与文献中的实验值对比，发现根据颗粒直径选择相应的两相流模型进行计算可以准确模拟离心泵内部的固液两相流动。
　　3.得到了固液两相流场特性与水力性能和磨损性能的关系。
　　分析不同颗粒直径和体积分数工况下，全流道内部的液相压力、液相流线和蜗壳内部的固液两相速度差与颗粒直径和体积分数的关系。发现不同工况下的泵流道内压力总体分布差不多，但是随着颗粒直径和固相体积分数的增加，流道内的压力值呈减小趋势。
　　分析不同颗粒直径和体积分数工况下，流道内部不同部位的磨损速率、剪应力和颗粒分布与颗粒直径和体积分数的关系。发现在叶轮和蜗壳流道的不同部位，磨损速率均随体积分数的增加而增加;随着颗粒直径的增加，蜗壳内磨损速率呈下降趋势，叶轮流道内部则随部位的变化不尽相同。
　　4.进行了离心泵的固液两相外特性实验研究。
　　与清水输送工况的性能相比，随着颗粒直径和固相体积分数的增加，固液两相输送工况的扬程和效率基本呈缓慢下降趋势，仅在输送微小颗粒时，效率略有增加。效率总体下降幅值比扬程下降幅值小。实验值与计算值的对比发现，实验曲线的变化趋势与计算曲线的趋势基本一致，实验值略小于计算值。
　　5.推导并验证了固液两相工况下的扬程下降率预测公式。
　　基于泵出口处固液两相速度相等的假设，进行理论分析与推导，得到设计流量工况下固液两相混合输送时的扬程下降率预测公式，该公式主要通过当地体积分数来体现固相对性能参数的影响，可以较为准确方便的对设计流量点固液混输工况的扬程下降率进行计算，但预测值略小于实验值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 两相流模型及计算方法研究

1．2．2 两相流泵的输送性能分析及预测研究

1．2．3 两相流泵的磨损性能研究

1．3 论文主要研究内容

第2章 固液两相流动计算模型和方法

2．1 运动颗粒在流体中的受力分析

2．1．1 作用力分类

2．1．2 作用力量级分析

2．2 固液两相流动计算模型

2．2．1 基于欧拉-欧拉方法

2．2．2 基于欧拉-拉格朗日方法

2．3 磨损模型的选择及分析

2．3．1 磨损模型

2．3．2 湍流扩散对颗粒运动的影响

2．3．3 颗粒和壁面的碰撞反弹模型

2．3．4 磨损计算模型

2．4 本章小结

第3章 流道式离心泵的数值模拟

3．1 计算几何模型和网格划分

3．2 数值模拟方案设计

3．2．1 进出口及壁面边界条件

3．2．2 介质参数定义

3．2．3 计算方案

3．3 性能预测对比分析

3．3．1 性能参数无量纲化

3．3．2 基于欧拉-欧拉方法的性能预测

3．3．3 基于欧拉-拉格朗日方法的性能预测

3．4 内部流动与性能的关系分析

3．4．1 不同颗粒直径工况

3．4．2 不同体积分数工况

3．5 内部流动与磨损的关系分析

3．5．1 磨损速率分布

3．5．2 剪应力和颗粒分布

3．5．3 磨损部位对比

3．6 本章小结

第4章 固液两相流实验和扬程预测分析

4．1 实验平台和实验方案

4．2 两相流参数定义及实验结果的处理方法

4．2．1 固相浓度

4．2．2 泵性能参数

4．3 实验方案与结果分析

4．3．1 实验方案

4．3．2 不同颗粒直径工况

4．3．3 不同体积分数工况

4．3．4 不同流量工况

4．4 基于理论分析的两相扬程预测方程的建立

4．4．1 清水扬程值的计算

4．4．2 固液两相扬程值的计算

4．5 预测值与实验值的对比验证

4．6 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 论文创新点

5．3 研究展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间取得的相关研究成果

致谢