鹽析兩相流理論及旋流泵內(nèi)部流動(dòng)的研究.pdf

1、伴有鹽析的兩相流動(dòng)現(xiàn)象普遍存在于相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)部門(mén)的鹽類(lèi)溶液輸運(yùn)流程中，結(jié)鹽會(huì)造成能源與資源的極大浪費(fèi)，這是學(xué)術(shù)界和工程界迫切需要解決的難題。目前對(duì)鹽析兩相流動(dòng)理論的研究仍處于探索之中，葉輪機(jī)械內(nèi)部鹽析流動(dòng)機(jī)理尚未被揭示。在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(N0．50476068)及江蘇省普通高校研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程項(xiàng)目(No．CX07B_093z)的資助下，本文選擇適用于鹽類(lèi)溶液輸運(yùn)的旋流式模型泵為研究對(duì)象，以具有典型鹽析特性的硫酸鈉過(guò)飽和溶液為輸送

2、介質(zhì)，圍繞鹽析兩相流動(dòng)理論、旋流泵內(nèi)鹽析兩相流動(dòng)機(jī)理等問(wèn)題進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，主要工作及取得的創(chuàng)新性成果如下： 1、從分析鹽析過(guò)程基本理論入手，詳細(xì)闡述了晶體成核及生長(zhǎng)、晶體顆粒輸運(yùn)等過(guò)程及其與流動(dòng)的關(guān)系，研究認(rèn)為：鹽析進(jìn)程中，過(guò)冷度(過(guò)飽和度)是鹽析晶體晶核形成最直接的相變驅(qū)動(dòng)力，非均相成核與碰撞成核是泵內(nèi)鹽析晶體成核的主導(dǎo)機(jī)制，且成核速率、成核后的晶體顆粒粒徑與濃度分布受當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)條件的制約。 2、借鑒界面相理論的思

3、想，首次提出并定義了鄰界區(qū)概念，用以描述鹽析層及其鄰近區(qū)域特征，并將其劃分為鹽析界面層、吸附層和過(guò)渡層三部分，每一部分的結(jié)構(gòu)與特性各不相同，在鹽析過(guò)程中所起的作用也有差異；同時(shí)也對(duì)鹽析層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特性進(jìn)行了分析，闡明了赫析層增長(zhǎng)的數(shù)學(xué)處理方法及實(shí)驗(yàn)研究方法，由此提出研究泵內(nèi)鹽析進(jìn)程時(shí)可建立“揚(yáng)程—鹽析時(shí)間”關(guān)系的設(shè)想。 3、在上述研究基礎(chǔ)上，采用雙流體模型構(gòu)建了比較符合實(shí)際的鹽析流動(dòng)物理模型，再利用流體力學(xué)方法建立了完整的鹽析

4、兩相湍流流動(dòng)方程組，給出了質(zhì)量、動(dòng)量、能量交換率及其它本構(gòu)關(guān)系式，并采用k—ε—kp模型對(duì)方程組進(jìn)行封閉；在方程中計(jì)入因葉輪旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力和科氏力等慣性力的作用，建立了葉輪機(jī)械中的鹽析兩相流方程組。 4、提出引入粒數(shù)衡算模型(PBM)來(lái)描述泵內(nèi)因鹽析晶體顆粒間及顆粒與葉輪葉片或流道內(nèi)壁間碰撞而產(chǎn)生的聚并、破碎等微觀行為，并將其與宏觀屬性聯(lián)系起來(lái)。研究表明用PBM—CFD的耦合方法可提高雙流體模型的精度，對(duì)其應(yīng)用于鹽析流場(chǎng)計(jì)算

5、的方法及存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，為鹽析兩相流動(dòng)研究提供了一種新方法。 5、基于Eulerian多相流模型和混合的RNGk—ε兩方程湍流模型，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)模型泵內(nèi)的鹽析兩相流場(chǎng)進(jìn)行了全流道、三維非定常計(jì)算，初步揭示了不同時(shí)刻、不同溫度條件下泵內(nèi)液相和鹽析晶體顆粒相的運(yùn)動(dòng)特性及顆粒的遷移規(guī)律；根據(jù)顆粒濃度分布特點(diǎn)，推測(cè)泵內(nèi)的鹽析進(jìn)程為：鹽析層最初在壓水室內(nèi)壁及葉片工作面形成并不斷增厚，最終堵塞流道。此外對(duì)泵送清水和鹽溶液時(shí)的性

6、能也進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并將結(jié)果與外特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。 6、運(yùn)用PIV在徑向和軸向兩種測(cè)量模式下對(duì)泵內(nèi)不同外部條件下鹽析兩相流場(chǎng)進(jìn)行了準(zhǔn)三維測(cè)量，經(jīng)圖像后處理，獲得了鹽析晶體顆粒在葉輪內(nèi)、無(wú)葉腔中及軸面上的速度矢量分布，實(shí)現(xiàn)了顆粒流場(chǎng)的可視化，更為直觀地揭示了泵內(nèi)鹽析顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。計(jì)算得到的顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律與PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，但在數(shù)值上與實(shí)驗(yàn)值存在一定差異。 7、摸索了一套PDPA應(yīng)用于葉輪機(jī)械內(nèi)部鹽析兩相流場(chǎng)測(cè)量的有效方法