離心泵內(nèi)部固液兩相流動數(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象，對其水力性能和磨損性能開展計算和實驗研究。首先通過對固液兩相流場中顆粒所受作用力進行分類和量級分析，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和磨損計算模型;針對不同直徑顆粒，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，對不同體積分?jǐn)?shù)的固液兩相流動進行數(shù)值計算，并在此基礎(chǔ)上進行了內(nèi)部流動對性能的影響以及磨損規(guī)律分析;搭建固液兩相實驗臺對流道式離心泵進行固液兩相流動工況下的外特性實驗研究;最后基于理論分析，推導(dǎo)出設(shè)計流量點固液混輸工況的揚程下降率預(yù)測公式，可供實際工程使用。
　　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和磨損計算模型。
　　首先

3、根據(jù)液體與顆粒之間的相互作用關(guān)系，將作用力進行分類;然后將各作用力與流動阻力進行量級對比分析，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;考慮湍流擴散對顆粒的影響，建立基于隨機游走方法的顆粒軌跡計算模型，并選擇單顆粒磨損模型結(jié)合泰勒級數(shù)展開，確定顆粒碰撞磨損計算模型。
　　2.數(shù)值模擬并驗證了離心泵內(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、相流模型對離心泵內(nèi)部固液兩相流場進行數(shù)值模擬，并將離心泵性能參數(shù)的計算值與文獻(xiàn)中的實驗值對比，發(fā)現(xiàn)根據(jù)顆粒直徑選擇相應(yīng)的兩相流模型進行計算可以準(zhǔn)確模擬離心泵內(nèi)部的固液兩相流動。
　　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.進行了離心泵的固液兩相外特性實驗研究。
　　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、輸送工況的揚程和效率基本呈緩慢下降趨勢，僅在輸送微小顆粒時，效率略有增加。效率總體下降幅值比揚程下降幅值小。實驗值與計算值的對比發(fā)現(xiàn)，實驗曲線的變化趨勢與計算曲線的趨勢基本一致，實驗值略小于計算值。
　　5.推導(dǎo)并驗證了固液兩相工況下的揚程下降率預(yù)測公式。
　　基于泵出口處固液兩相速度相等的假設(shè)，進行理論分析與推導(dǎo)，得到設(shè)計流量工況下固液兩相混合輸送時的揚程下降率預(yù)測公式，該公式主要通過當(dāng)?shù)伢w積分?jǐn)?shù)來體現(xiàn)固相對性能參數(shù)的影響