離心泵內(nèi)部固液兩相流動(dòng)數(shù)值模擬與磨損特性研究.pdf

1、固液兩相輸送離心泵在國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)應(yīng)用廣泛，但這類泵存在以下關(guān)鍵技術(shù)難題，一是由于存在固體物質(zhì)導(dǎo)致效率低，二是由于磨損問題而導(dǎo)致的可靠性差，這兩個(gè)問題一直制約著固液兩相輸送離心泵的研制和應(yīng)用。
　　本文以固液輸送流道式離心泵為研究對(duì)象，對(duì)其水力性能和磨損性能開展計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。首先通過對(duì)固液兩相流場中顆粒所受作用力進(jìn)行分類和量級(jí)分析，確定了顆粒直徑和所受作用力的關(guān)系，提出固液兩相的流動(dòng)和磨損計(jì)算模型;針對(duì)不同直徑顆粒，分別采用Mi

2、xture模型和DPM模型結(jié)合UDF引入顆粒體積效應(yīng)的影響，對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)的固液兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了內(nèi)部流動(dòng)對(duì)性能的影響以及磨損規(guī)律分析;搭建固液兩相實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)流道式離心泵進(jìn)行固液兩相流動(dòng)工況下的外特性實(shí)驗(yàn)研究;最后基于理論分析，推導(dǎo)出設(shè)計(jì)流量點(diǎn)固液混輸工況的揚(yáng)程下降率預(yù)測公式，可供實(shí)際工程使用。
　　論文的主要工作和結(jié)論具體如下:
　　1.確立了離心泵內(nèi)部固液兩相流場的流動(dòng)和磨損計(jì)算模型。
　　首先

3、根據(jù)液體與顆粒之間的相互作用關(guān)系，將作用力進(jìn)行分類;然后將各作用力與流動(dòng)阻力進(jìn)行量級(jí)對(duì)比分析，確定顆粒直徑與作用力的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上確定相應(yīng)的兩相流模型;考慮湍流擴(kuò)散對(duì)顆粒的影響，建立基于隨機(jī)游走方法的顆粒軌跡計(jì)算模型，并選擇單顆粒磨損模型結(jié)合泰勒級(jí)數(shù)展開，確定顆粒碰撞磨損計(jì)算模型。
　　2.數(shù)值模擬并驗(yàn)證了離心泵內(nèi)部的固液兩相流場。
　　分別選擇基于歐拉-歐拉方法的Mixture兩相流模型和基于歐拉-拉格朗日方法的DPM兩

4、相流模型對(duì)離心泵內(nèi)部固液兩相流場進(jìn)行數(shù)值模擬，并將離心泵性能參數(shù)的計(jì)算值與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)值對(duì)比，發(fā)現(xiàn)根據(jù)顆粒直徑選擇相應(yīng)的兩相流模型進(jìn)行計(jì)算可以準(zhǔn)確模擬離心泵內(nèi)部的固液兩相流動(dòng)。
　　3.得到了固液兩相流場特性與水力性能和磨損性能的關(guān)系。
　　分析不同顆粒直徑和體積分?jǐn)?shù)工況下，全流道內(nèi)部的液相壓力、液相流線和蝸殼內(nèi)部的固液兩相速度差與顆粒直徑和體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)不同工況下的泵流道內(nèi)壓力總體分布差不多，但是隨著顆粒直徑和固相體

5、積分?jǐn)?shù)的增加，流道內(nèi)的壓力值呈減小趨勢。
　　分析不同顆粒直徑和體積分?jǐn)?shù)工況下，流道內(nèi)部不同部位的磨損速率、剪應(yīng)力和顆粒分布與顆粒直徑和體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)在葉輪和蝸殼流道的不同部位，磨損速率均隨體積分?jǐn)?shù)的增加而增加;隨著顆粒直徑的增加，蝸殼內(nèi)磨損速率呈下降趨勢，葉輪流道內(nèi)部則隨部位的變化不盡相同。
　　4.進(jìn)行了離心泵的固液兩相外特性實(shí)驗(yàn)研究。
　　與清水輸送工況的性能相比，隨著顆粒直徑和固相體積分?jǐn)?shù)的增加，固液兩相

6、輸送工況的揚(yáng)程和效率基本呈緩慢下降趨勢，僅在輸送微小顆粒時(shí)，效率略有增加。效率總體下降幅值比揚(yáng)程下降幅值小。實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)曲線的變化趨勢與計(jì)算曲線的趨勢基本一致，實(shí)驗(yàn)值略小于計(jì)算值。
　　5.推導(dǎo)并驗(yàn)證了固液兩相工況下的揚(yáng)程下降率預(yù)測公式。
　　基于泵出口處固液兩相速度相等的假設(shè)，進(jìn)行理論分析與推導(dǎo)，得到設(shè)計(jì)流量工況下固液兩相混合輸送時(shí)的揚(yáng)程下降率預(yù)測公式，該公式主要通過當(dāng)?shù)伢w積分?jǐn)?shù)來體現(xiàn)固相對(duì)性能參數(shù)的影響