固液两相流泵的研究现状分析

2022-10-08

1 固液泵的研究背景

我国对液固两相流泵的研究则始于20世纪70年代末80年代初, 直到80年代中期以后按两相流理论设计的泵才逐步得到应用。经过几十年的努力, 我国两相流泵技术也得到了长足的发展, 国内许多学者应用两相流理论对固液泵进行了水力设计和试验研究, 积累了许多很有价值的经验和数据, 为我国对液固两相流泵的研究开辟了广阔的道路。

2 国内固液两相流泵的研究理论

2.1 内特性研究

在两相流条件下, 因为惯性力不同, 液固两相各以不同的速度运动。只有根据两相流的速度场来设计泵的叶型和流道, 才能更有效地转换能量并降低磨损。但液固两相流泵内的流态十分复杂, 即使清水也无法用纯数学的方法求解, 对于两相流困难更大。到目前为止, 设计固液两相流动泵还没有建立一个公认的数学方程式。

2.1.1 固液两相流泵内固体相流动规律的研究

对两相流泵内固体颗粒的运动规律主要存在以下3种完全不同的观点: (1) 颗粒质量越大, 其运动轨迹越靠近叶片工作面。该观点认为:质量增加时, 其绝对速度减小, 相对速度增加, 圆周速度增大, 相对运动角减小, 所以颗粒质量越大, 沿着叶片工作面运动的概率越大。 (2) 颗粒质量越大, 其运动轨迹越偏离叶片工作面。该观点认为:小颗粒沿着叶片工作面运动, 而大颗粒由于沿叶轮径向作用着相当大的离心力, 在叶轮流道中运动时就脱离了叶片工作面。 (3) 一定范围内颗粒质量对其运动轨迹影响不明显。3种完全不同的观点都有一定的理论依据和实验基础, 国内的大多学者们都赞同第一种观点, 并在此基础上形成了相关泵内固液两相流理论:以清水作为参照量, 把固体颗粒的运动看作水流运动的边界条件, 同时考虑绕流的强度和固体颗粒相互跟踪性、离散性和固体颗粒的物化性以及在复杂运动条件下的相关结构等。运用此理论设计出的小口径、低扬程泵已达到国际先进水平。

2.1.2 泵轮内两相流数学模型

(1) 单流体模型。这种模型把离散固体颗粒和流体看作混合流体来处理, 流体与固体之间的流动参数与混合物平均运动参数之间用一个附带扩散速度本构关系的所谓扩散方程联系起来, 所以不需用颗粒动量和能量方程, 只要有固体颗粒的连续方程或扩散方程即可。这种模型直观、简单。但由于其没有考虑两相之间的相互作用和相互影响, 不能反映泵内部两相流的运动规律。

(2) 双流体模型。双流体模型认为固体颗粒和流体相之间存在速度差, 存在相互作用和影响, 并认为颗粒具有与流体类似的湍流特性。此模型的处理方法一般是分别建立流体相和固体颗粒相的基本方程, 并通过颗粒与流体之间的相互作用来使两相联系。

(3) 固相颗粒随机轨道模型。随机轨道模型把固体颗粒当成离散相, 以拉格朗日法进行处理, 而流体相用欧拉型的连续介质模型来描述。考虑流体对颗粒的作用, 计算颗粒轨迹及其沿程变化, 归结于用Monet-carlo方法求解颗粒的瞬态动量方程。许洪元等用此模型计算了固液两相流泵叶轮中固体颗粒的运动轨迹, 并与实验结果相比较, 能够较好地吻合。

(4) 固液两相湍流的KET模型和动力学模型。对于固体颗粒浓度比较大的情况, 由于固体颗粒之间碰撞加剧, 用前面介绍的几种模型, 会造成比较大的误差。由此, 魏进家等建立了描述密相的液固两相湍流的KET模型。由颗粒相动力学理论, 把密相流动的颗粒运动分为3部分 (平均运动、颗粒群的脉动和单颗粒的随机脉动) , 同时再加上颗粒湍动能的耗散作用。徐义华等用此模型模拟离心叶轮内的含颗粒幂律流体的两相流动。唐学林等运用分子动力学方法, 基于固体颗粒的Boltzmann方程, 得到高浓度液固两相流湍流的连续方程和动量方程, 并考虑颗粒的相互作用, 由动力学方法推导出高浓度时的颗粒间碰撞项, 由此建立高浓度液固两相湍流的动力学模型。

(5) 大涡模拟。大涡模拟 (LES) 是通过滤波函数, 在大尺度内直接求解N-S方程, 对小尺度涡采用亚格子模型 (SGS) 模拟。吴玉林等在双流体模型的基础上, 用大涡模拟思想, 通过滤波函数, 分别对流体相和颗粒相建立了连续方程和动量方程, 计算了液固两相流泵固液两相湍流流动, 并与实验结果进行了比较。

2.2 外特性研究

通过外特性的研究可以探索过流部件几何参数对泵性能的影响规律。叶轮外径是影响泵扬程最直接、最主要的参数, 而叶片宽度、叶片数对扬程也有一定的影响;同时, 叶片宽度也是影响流量大小的很重要的几何参数。

3 固液旋流泵固体颗粒分布的数值模拟

现在对固液旋流泵内部流场进行了全流道三维数值模拟。计算网格采用分块非结构化网格, 湍流计算模型采用标准k-ε模型, 算法采用SIMPLEC算法。对固体颗粒的分布情况进行了详细分析。

在上述的理论的基础上, 对固液旋流泵内部流场进行了全流道三维数值模拟后, 得到了以下结论: (1) 固体颗粒在叶片工作面的体积浓度大于在非工作表面上的体积浓度。 (2) 固体颗粒在长叶片工作表面的体积浓度大于在短叶片工作表面的体积浓度。 (3) 固体颗粒在长叶片转弯处靠近后盖板处的体积浓度最大。 (4) 同一半径处, 固体颗粒据后盖板越远, 固体颗粒的体积含量越低。 (5) 在叶轮区域, 大约在叶轮半径的1/3处, 固体颗粒含量最大。

结果表明, 固体颗粒在长叶片工作面上分布较多, 并随着颗粒直径的增大分布逐渐增多, 在短叶片及空腔中颗粒分布较少, 从长叶片的工作边到非工作边固体颗粒分布逐渐减小。泵的磨损主要发生在长叶片工作面的转弯处, 短叶片上磨损较小。这对我们在泵的叶片设计方面提供了一些指导性的经验。

本文分别从内特性、外特性两方面对国内固液两相流泵的研究进展进行分析, 文中还给出了对固液旋流泵内部流场进行了全流道三维数值模拟结果。理论上我们应该更加注重掌握基础知识, 对泵内两相流的流场分布进行更加精确的研究。在实践上也通过研究一些模拟结果, 对一些实际问题进行有效的处理。

摘要：本文分别从内特性、外特性两方面对国内固液两相流泵的研究进展进行分析。在内特性研究中分别介绍了泵内固体相流动规律的研究和泵内两相流的常用数学模型, 外特性研究主要是探索过流部件几何参数对泵性能的影响规律。文中还给出了对固液旋流泵内部流场进行了全流道三维数值模拟结果。

关键词：固液两相流泵,数学模型,数值模拟