弯管入流对离心泵固液两相内部流动特性研究

通过Mixture多相流模型和ANSYS软件，旨在探究弯管入流对离心泵固液两相流动特性的影响，并以固液两相流为介质，对3种不同入流条件下的离心泵进行全流道数值模拟，以期获得更准确的结果。重点分析了固体颗粒在离心泵进口段运动分布情况以及叶轮内部流动特性。研究表明：进口弯管与固体颗粒的协同影响使离心泵的扬程和效率有大幅度下降，随着进口弯管角度的增大，固体颗粒会向着进口段外壁面以及叶片吸力面尾部集中，进口弯管为60o时影响最为明显。同时，研究表明：适当增大弯管角度可以减小离心泵隔舌径向力，但在固液两相条件下，随着弯管角度的增大对离心泵内部压力脉动会产生较大影响。     

出口角对离心泵内固液两相流动影响

采用欧拉多相流模型、标准k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,应用计算流体力学软件Fluent,对3台不同叶片出口安放角的离心泵内的固液两相湍流进行了数值模拟,分析了叶片出口安放角对泵内部固液两相流场的影响.计算结果表明：在叶轮流道内,固体颗粒的相对运动方向比液相更偏向叶片压力面,大叶片出口角叶轮内两相速度的夹角较大.通过对比不同叶轮内压力分布及固体颗粒体积浓度分布,得出以下结论：大出口安放角的叶轮压力面附近聚集了更多的颗粒,导致大量颗粒与叶片尾部的压力面相撞;叶片出口安放角增大使得叶轮出口压力增大.     

低比转速离心泵叶轮内固液两相流的数值分析

为了分析离心叶轮内固液流动特性,采用M ixture多相流模型,扩展的标准κε湍流方程与SIMPLEC算法,应用流体动力学软件Fluent对低比转速离心泵叶轮内固液两相湍流进行了数值模拟.分析了多种粒径及浓度条件下的固相体积浓度分布规律.当颗粒直径较小和泥沙浓度较低时,固粒在叶轮出口附近会出现向叶轮背面迁移的趋势;但在离心泵叶轮固液两相流动中,固体颗粒还是主要集中于叶轮工作面,因而会加剧叶轮工作面磨损破坏速度.数值结果表明,在相同的泥沙颗粒直径条件下,水泵扬程随着含沙水流中泥沙浓度的增大而下降.     

离心泵作透平固液两相流动及磨损的数值模拟

为研究离心泵作透平内部固液两相流动特性,基于Euler-Lagrange模型,应用ANSYS CFX软件对一比转数为82的离心泵作透平进行数值计算,分别模拟颗粒直径为0.1,0.3,0.5 mm及初始体积分数为5%,10%,15%的9组不同工况,以揭示介质中固体颗粒对离心泵作透平运行的影响.计算结果表明:固体颗粒主要分布在叶片吸力面头部、前盖板壁面附近以及蜗壳尾部区域;当固体颗粒质量分数不变时,随着粒径的增大,叶片表面固相体积分数增大,叶片吸力面轮缘处出现了大量颗粒堆积,透平的扬程和功率上升,效率有所下降;当颗粒直径不变时,随着固体颗粒质量分数的增大,固体颗粒在叶轮流道内的分布出现向轮毂处延伸的趋势,堆积区域面积增大,透平的扬程和功率上升,效率变化不大.该研究扩展了液力透平设计方法,可为离心泵作透平设计提供一定的参考.     

固液两相流离心泵流动特性及磨损问题研究进展

由于离心泵应用场合广泛,时常输送含有固体颗粒物的流体介质,固液两相流成为离心泵内流动特性研究的一个常见问题.固相介质的加入,导致扬程和效率的下降,甚至造成泵内壁面严重的磨损,对离心泵的运行性能产生较大的影响,降低了离心泵的持续运行寿命.基于以上问题,国内外学者通过理论分析、试验研究以及数值模拟等方法,对离心泵固液两相流问题开展了大量研究,基本掌握了颗粒在离心泵内的运动分布规律及其对过流部件的磨损情况.颗粒的粒径、密度、体积分数以及离心泵的运行工况都将对泵内固液两相流动产生较大程度的影响.文中从固液两相流动特性和磨损问题这2方面介绍了离心泵固液两相流动的研究现状,并综述了主要研究方法和研究成果,为进一步优化水力及结构设计、提高固液两相流离心泵的性能和可靠性、改善磨损状况提供了一定的参考及研究基础.     

潜水轴流泵内部固液两相流动的数值模拟

为分析潜水轴流泵流道内部固液两相流动特征,采用Mixture多相流模型,RNG k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,应用Fluent软件对一污水处理厂用潜水轴流泵中固液两相流动进行了数值计算.并与清水单相流数值计算结果进行了对比,揭示了不同颗粒固相体积分布和颗粒直径条件下潜水轴流泵流道内的固液两相流动规律.结果表明：在叶轮流道内,固体颗粒主要分布于叶轮压力面上,而在叶轮吸力面的分布较少;在叶片压力面上,固体颗粒主要集中于叶片进口处和靠近轮毂处;当颗粒固相体积分布不变时,随着粒径的增大,会出现颗粒由压力面向背面迁移的趋势,而在背面会向出口处迁移;当粒径不变时,随着颗粒固相体积分布的增大,在叶片压力面上颗粒逐渐向进口和轮毂处靠拢,而在叶片吸力面上颗粒不断向着出口及靠近轮毂处迁移.     

基于Particle模型固液两相流离心泵流场数值模拟

基于Particle模型和非均相模型,运用流场分析软件ANSYS-CFX对固液两相流离心泵的内部流场进行数值模拟.液相采用标准k-ε湍流模型,壁面设置为无滑移壁面条件;固体颗粒相采用离散相零方程模型,壁面设置为自由滑移壁面条件.重点分析了过流部件壁面处固体颗粒的滑移速度、颗粒体积分数分布、滑移速度及体积分数分布与过流部件磨损的关系,将数值模拟结果与相关文献中的试验结果进行对比.结果表明:在蜗壳大包角壁面处,固体颗粒相的体积分数较大;在叶片头部靠近前盖板处、叶片压力面和吸力面的尾部处、蜗壳起始段靠近隔舌处和靠近叶片压力面尾部的前后盖板处等壁面,固体颗粒相的滑移速度较大,磨损较为严重.采用Particle模型和非均相模型能准确地模拟固液两相流泵内的流动规律.     

细颗粒泥沙对离心泵工作特性影响的数值研究

基于Eulerian-Eulerian“双流体”模型观点,应用CFD软件 Fluent 对离心泵细颗粒泥沙固液两相流进行了数值模拟。给出了在微米量级尺度上不同粒径及10%颗粒体积浓度以内条件下离心泵固液两相流动规律,得到了相应的离心泵的外特性的变化规律并与清水单相流情形进行了对比。研究结果表明：在叶轮流道内,固相体积浓度分布极不均匀,细颗粒主要集中于流道出口处及叶轮吸力面。在所研究的工况条件下,与清水情况相比,加入某些浓度、粒径的细颗粒离心泵内的湍流粘度,湍动能都有所下降,并且分布规律与颗粒的分布相似,离心泵的扬程与效率有所提高。相同体积流量下,离心泵的扬程和效率在所研究的工况条件下随颗粒浓度和粒径的增加先增大后减小。     

离心泵内固体颗粒运动规律与磨损的数值模拟

应用雷诺应力模型(液相)、离散相流动模型(固相)和Finnie的塑性冲蚀磨损模型,通过对固液流场中大量固体颗粒运动轨迹的拉格朗日追踪,对离心泵中固相体积分数较低(Cy<10%)的固液流场中颗粒运动轨迹、颗粒与过流部件表面的相互碰撞过程、固液两相流磨损进行了数值模拟.结果表明,离散相颗粒的性质(密度,粒径)及叶轮运行转速对颗粒运动轨迹及与壁面的碰撞过程有重要的影响;大质量颗粒的运动轨迹向叶片工作面偏转较大,易与叶片头部发生撞击,并且存在多次撞击过程,对叶片的磨损程度大;小颗粒易与叶片工作面后端发生撞击·一般与叶片只发生一次撞击,对叶片的冲蚀磨损相对弱些.模拟结果与试验结果吻合较好.     

射流泵液固两相流特性三维大涡模拟

为研究射流泵的三维液固两相流动特性,应用计算流体动力学（CFD）方法模拟其内部流动特征.采用LES方法和混合模型对射流泵在输送固体颗粒时的三维流场进行了数值模拟,分析了不同的固体颗粒直径、固相初始体积分数及流量比等参数对射流泵液固两相射流的湍射流场及射流泵基本特性的影响.结果表明：在较小的流量比条件下,固液两相流射流泵的压力比和效率与清水时的差别不大;但是在较大的流量比条件下,随着固相初始体积分数的增大,基本性能曲线与效率均下降,且流量比和固相初始体积分数越大时,其下降幅度越大;在固相初始体积分数和固相颗粒直径一定时,流量比越大,充分混合后的含砂体积分数将随之增大.固体颗粒直径越大,则越容易产生局部体积分布集中的现象,易在射流泵内形成堵塞.研究结果为工程实际应用提供了一定的技术支持.     

叶片包角对离心泵水力性能及磨损特性的影响

基于CFD-DEM耦合方法计算离心泵内固液两相的流动及过流部件的磨损,研究不同叶片包角时叶轮的平均磨损率、液相的速度分布、颗粒的运动、颗粒与壁面的接触次数和接触力.研究表明:随着包角的增大,扬程、效率和平均磨损率均先增大后减小;当包角为110°时,颗粒与壁面的接触力和接触次数最大,导致磨损最为严重,磨损严重区域在吸力面中间与前盖板的交界处;包角从90°增大到110°时,颗粒与过流部件壁面之间的接触次数和接触力逐渐增大,增大了离心泵磨损程度;包角从110°增大到160°时,聚集在吸力面中间位置的低速颗粒逐渐减少,导致颗粒与过流部件壁面之间的接触次数和接触力逐渐减小,从而减小了磨损严重的区域,减轻了离心泵磨损程度.     

螺旋离心泵叶片变螺距型线方程

根据螺旋离心泵的结构特点,基于叶片式流体机械内固液两相双流体模型的流速比理论,分析了螺旋离心泵叶片型线的螺距变化规律,推导出固液两相流螺旋离心泵叶片变螺距型线的参数方程.依据给定的设计参数和固相体积分数,采用推导出的叶片型线方程设计出叶片型线,并生成叶片三维模型,叶片表面光滑平整.对该叶片形成的水力模型进行了外特性清水试验,并用该三维模型对固相体积分数分别为5%,10%和15%时的固液两相流动进行了数值分析.结果表明：介质为固液两相流时泵的效率较输送清水介质时有所提高,特别是在设计工况,当固相体积分数等于设计给定值时,泵的效率可提高8.5%;当偏离给定的固相体积分数值时,效率有所降低;在输送固液两相流介质时泵的扬程较输送清水时的扬程有所降低,且随着固相体积分数的增大扬程逐渐降低.     

脱硫泵固液两相流动的数值模拟与磨损特性

采用k-ε-Ap模型模拟了脱硫泵内固液两相流动,并对3种直径的颗粒浓度分布、速度分布及磨损特性进行了研究.结果表明,不同直径的固体颗粒在叶片压力面上的体积浓度均比吸力面上高,其浓度随颗粒直径增加而增加;在蜗壳中,颗粒主要分布在蜗壳近壁处,并随颗粒直径增大而浓度增加.其相对速度矢量方向基本沿叶片表面,与叶片相切,因此在叶片上主要发生滑动磨损;固体颗粒以较小角度与蜗壳壁面相碰撞,随颗粒直径增大,角度略有增加,在离心力的作用下,固体颗粒以较大径向速度挤压蜗壳壁面,并沿蜗壳周壁向出口运动,导致蜗壳发生严重滑动磨损;颗粒在蜗壳隔舌附近的运动比较紊乱,导致在隔舌部位主要发生冲击磨损.数值模拟结果与实际磨损情况比较吻合,表明所采用的计算方法是可行的.     

基于改进欧拉算法的双吸离心泵泥沙磨损特性研究

固液两相流算法对双吸离心泵泥沙磨损模拟精度有直接影响。采用改进的固液两相流欧拉算法,考虑了相间阻力和泥沙扩散系数两方面因素,对典型悬移质泥沙粒径条件下的双吸离心泵流场进行了数值计算。研究发现,叶片表面湍流强度在头部和尾部较大,可达6%~10%;叶片头部和尾部的颗粒动态尺度大于中部。由湍流强度和颗粒动态尺度组成的湍动尺度效应,在叶片头部和尾部表现强烈,湍动尺度效应使固液相间阻力增大,更有利于颗粒的扩散,避免了颗粒聚集,对大颗粒的作用强于小颗粒。湍动尺度效应导致叶片表面固相体积分数分布范围减小,大颗粒的变化值大于小颗粒,叶片头部和尾部的改变值大于中部,叶片表面的严重磨损部位为叶片工作面尾部的块状磨损区,这比采用传统算法得到的带状磨损区和偏磨区计算结果,更符合离心泵实际磨损情况,考虑湍动尺度效应后得到的磨损率也有所增大。在此基础上,提出了双吸离心泵叶片水力设计和表面喷涂防护原则,为提高双吸离心泵抵抗泥沙磨损能力奠定了基础。     

固液两相流离心泵内部流场数值模拟与磨损特性

基于Particle模型和非均相模型,运用流场分析软件ANSYS-CFX对固液两相流离心泵的内部流场进行了数值模拟。对液相采用标准k-ε湍流模型,对固体颗粒相采用离散相零方程模型,壁面设置为自由滑移壁面条件。分析了在颗粒体积分数为0.1,固体颗粒直径分别为0.1、0.25、0.5、0.75mm时,过流部件壁面处固体颗粒相的滑移速度。结果表明：随着颗粒直径的增大,壁面处固体颗粒相的滑移速度增大;固体颗粒相向叶片工作面偏移;在叶片头部、叶片压力面和吸力面的中部到尾部处、蜗壳起始段靠近隔舌处和靠近叶片压力面尾部的前后盖板处等壁面,固体颗粒相的滑移速度较大,磨损较为严重。     

双叶片离心泵内固液两相流径向力特性研究

径向力特性是泵运行稳定性的一个重要指标。为了研究固体颗粒物性对固液两相流泵径向力的影响,采用Mixture多相流模型对双叶片泵内部流动进行三维非定常模拟计算,并分析了不同工况和颗粒物性下泵径向力特性的变化规律。研究结果表明:固液两相流工况时的叶轮径向力峰值及其峰峰值均比对应流量的清水工况时要大,最大增幅分别达到7.8%和8.2%;两相流条件下,一个叶轮旋转周期内前后半个周期的叶轮径向力分布重合部分均较少;随颗粒密度、体积分数和粒径的增大,叶轮径向力大小和方向波动的越来越剧烈,叶轮径向力矢量中心有从坐标系第二象限向第四象限移动的趋势。     

分流叶片长度对离心泵压力脉动及径向力的影响

针对低比转速离心泵,设计0.55 D2、0.65 D2、0.80 D2(D2为长叶片外径)3种长度分流叶片,建立分流叶片离心泵三维全流场模型,通过非定常数值模拟对比分析3种分流叶片长度离心泵压力脉动特性,以及作用在叶轮和蜗壳上的径向力特性。研究结果表明:带分流叶片离心泵内流场压力脉动呈主要波动周期和次要波动周期;蜗壳上的径向力远大于叶轮上的径向力;随着分流叶片长度增加,压力脉动幅值和径向力先增大后减小,0.65 D2方案压力脉动和径向力均小于0.55 D2和0.80 D2方案。分流叶片长度过短或过长都不利于减小压力脉动和径向力。     

后掠式双叶片污水泵固液两相流动规律的数值模拟

基于Particle模型,采用SIMPLEC算法、多重参考坐标系法对后掠式双叶片污水泵固液两相流场进行数值模拟.液相采用标准k-ε双方程湍流模型,固体颗粒采用离散相零方程模型,分析了固相颗粒体积浓度分别为5%,10%,15%,20%,颗粒粒径分别为0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 mm时,固相颗粒在泵内的分布情况及其滑移速度的大小,从而进一步研究泵内过流部件的磨损情况,并探讨了颗粒浓度及大小对泵水力性能的影响规律.结果表明,颗粒直径一定时,随固相体积浓度的增大,颗粒运动轨迹偏向叶片吸力面;叶片压力面及吸力面尾部的后盖板处固体颗粒滑移速度增加明显,该处壁面产生磨损,因此设计时后盖板处应加厚;固体颗粒的粒径及固相体积浓度对泵水力外特性有着不同程度的影响,粒径增加,泵扬程、效率均下降;固相体积浓度增加,泵扬程增加、效率下降.样机试验表明:额定工况下效率为80%,扬程为11 m,设计合理,达到国内污水泵设计的领先水平.     

螺旋离心泵轴向力的数值计算与分析

针对螺旋离心泵轴向力求解时,数学模型建立和方程难以封闭等问题,为了实现螺旋离心泵轴向力的定量求解,研究其轴向力受介质的影响和随介质的变化规律,以150×100LN-32型螺旋离心泵为研究对象,选用清水和两相流含沙水作为介质,应用计算流体力学软件Fluent,建立相对坐标系下的时均连续方程及Navier-Stocks方程,并采用标准k-ε方程湍流模型和SIM-PLE算法进行数值模拟,得到螺旋离心泵内流场的压力分布后计算出轴向力,从而避开了单纯数学上定量求解螺旋离心泵轴向力的许多难题.在此前提下,通过研究在固液两相流介质中,颗粒体积分数、颗粒直径及不同的流量对轴向力的影响和变化规律,结果表明：螺旋离心泵的轴向力随两相流介质体积分数的增大而增大;随流量和颗粒粒径的增大反而减小.该结论对于提高螺旋离心泵的稳定性和延长其使用寿命具有重要意义.     

动压型机械密封气液固流动特性及性能

为了探索动压型机械密封微间隙气液固流动特性及密封性能,建立了间隙润滑膜气液固多相流模型,对间隙流动进行数值模拟,分析槽型参数和工况参数对流动特性及密封性能的影响.研究表明:槽宽比、螺旋角和转速的增大以及槽深的减小均会使润滑膜空化区域增大;随着槽宽比、槽径比和槽深的增大,润滑膜开启力先增大后减小,最佳槽型参数值分别是槽宽比0.3~0.6、槽径比0.7~0.8、槽深6~10μm(转速高、槽深取大值),较小的螺旋角能获得较大开启力;在所研究参数内密封主要为负泄漏,转速、槽径比的增大和螺旋角的减小均会使泄漏量绝对值增大,而槽深、槽宽比的增大使泄漏量绝对值先增大后减小;总体上固体颗粒主要聚集在槽堰区及坝区内侧,槽径比减小和螺旋角增大会使固体颗粒向槽堰区聚集,易造成螺旋槽堵塞失效.