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.     

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。     

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.     

叶片型线对渣浆泵水力性能及叶轮磨损特性的影响

为研究叶片型线对渣浆泵水力性能及叶轮磨损特性的影响,以LC100/350型渣浆泵为研究对象,工质为石灰石浆液,在叶轮轴面及叶片进出口安放角等参数不变的条件下,采用对数螺旋线进行叶片型线控制,通过数值计算方法,采用离散相模型,分析渣浆泵叶轮叶片型线对其水力性能及磨损特性之间的关系.计算结果表明:采用变角螺线法设计的圆柱形叶片有利于提高水力效率,但将导致扬程的小幅降低;包角120°的叶型为设计空间水力性能最优叶型;不同的叶片型线条件下,渣浆泵的水力性能与其叶轮磨损特性相互制约;小包角的叶片导致泵的水力性能下降,但叶轮磨损强度相对较低;叶轮的磨损强度与固相浓度呈正相关关系,叶轮磨损最严重的部位位于后盖板靠近轮毂的区域;在大流量工况下叶片包角对叶轮磨损强度影响较额定工况及小流量工况显著得多,颗粒粒径的变化与颗粒浓度的变化对泵的水力性能及叶轮磨损特性的影响基本一致.     

混合沙粒对半开式叶轮离心泵磨损的影响

为了研究含有混合多种颗粒粒径的含沙水对离心泵过流部件磨损特性的影响,应用RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,基于颗粒离散相模型(DPM)和半经验的McLaury磨损模型,沙粒注入选用Rosin-Rammler分布的拟合方法,对一台半开式离心泵内固液两相流的磨损特性进行数值分析.研究结果表明:叶轮流道内沙粒组分中大颗粒有趋向叶片吸力面运动的趋势,当混合沙粒的粒径较小时,蜗壳内沙粒运动较为均匀,粒径越大,沙粒运动越贴近蜗壳壁面;不同粒径组分的沙粒在叶轮的压力面、吸力面和后盖板壁面上的平均停留时间分布相似,颗粒粒径越大,平均停留时间越小;在蜗壳壁面上沙粒组分中粒径不大于700 μm的沙粒平均停留时间分布规律与沙粒在叶轮过流壁面上的平均停留时间类似,大于700 μm的沙粒平均停留时间会随着粒径增加而增大;随着沙粒组分中大粒径沙粒的增加,叶片压力面的磨损强度逐渐减弱,叶片吸力面、后盖板和蜗壳的磨损强度逐渐增强.     

多级离心泵内部固液两相流动及磨损特性

为深入了解多级离心泵叶轮和导叶内部固液两相流动状态,基于ANSYS CFX软件,结合双流体模型,计算了额定工况下,固相体积分数分别为0%和20%、固液两相密度比为1.468时,两级离心泵内部三维非稳态固液两相流动.结果表明:固相的加入会降低多级泵的出口压力,固相的存在对于液相流场具有一定影响;流场中固体颗粒的分布与其所在流场区域有相应关系,在叶轮中,叶片进口处压力面与吸力面均有较高固相体积分数,叶片出口处吸力面固相体积分数高于压力面;在导叶中,正导叶进出口固相体积分数较高,正导叶正面固相的运动速度和体积分数均明显高于背面;叶轮进出口和导叶进口局部磨损较为明显.研究固体颗粒的运动规律对于固液两相流泵的设计具有一定参考价值.     

矿粒粒径对深海采矿扬矿泵磨损特性的影响

为研究矿粒粒径对深海采矿扬矿泵过流部件磨损特性的影响,采用DPM模型模拟泵内固液两相流动,并以基于流体动力学的Oka磨损模型仿真颗粒对过流部件的磨损,分析扬矿泵在不同矿粒粒径下的磨损规律.研究结果表明:随着矿粒粒径的增大,首级叶轮及次级叶轮的前后盖板磨损量分布逐渐均匀,前盖板磨损量的集中区域从出口压力面向叶轮中部及进口吸力面转移,后盖板磨损量集中分布区域从进口吸力面一侧向出口压力面一侧转移,叶片进口和出口的磨损面积均逐渐增大;首级空间导叶及次级空间导叶的叶片背面进口磨损面积逐渐增大,在轮毂出口处磨损区域向外逐渐偏移,且该位置磨损面积逐渐减小;当矿粒粒径从1.0 mm增大到5.0 mm时,首级叶轮和次级叶轮的前盖板最大磨损量分别上升132.9%和104.2%,首级叶轮和次级叶轮的叶片最大磨损量分别上升172.3%和142.5%,首级叶轮和次级叶轮的后盖板最大磨损量分别上升251.4%和102.3%,首级导叶和次级导叶的最大磨损量分别下降87.08%和74.26%.     

离心式污水泵内固液两相流动特性数值研究

为了探究颗粒直径和颗粒浓度对离心式污水泵内三维流场的影响规律,基于雷诺时均N-S方程和SST k-ω湍流模型,以离心式污水泵为研究对象,利用ANSYS CFX软件对泵内三维流动进行数值模拟,分析和总结了污水泵内压力、流线、固相体积分数和叶片表面压力载荷分布规律。研究结果表明：颗粒浓度和直径对泵内压力分布的影响主要在叶轮进口处,并且颗粒直径的影响较小一些。另外,颗粒浓度对于泵内流态分布的影响较为复杂,叶轮流道内旋涡沿着流道呈条状分布,随着颗粒浓度的逐渐增加,旋涡逐渐消失。随着颗粒浓度的增加,叶片压力面和吸力面的压力均逐渐降低,但是叶片载荷基本保持不变。研究结果为离心式污水泵的结构优化和性能改善提供了参考。     

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.     

圆盘泵叶轮结构改进及固液两相流的数值模拟

针对混输圆盘泵在输送原油介质时存在的扬程和效率低下的状况,在原有叶轮的基础上进行了结构改进,并采用欧拉多相流模型,标准k-ε湍流方程与SIMPLE算法对改进后的圆盘泵内部固液两相湍流进行了数值模拟,得到泵内流场压力和速度的变化规律,以及不同固相颗粒浓度与泵的扬程、效率和出口质量流量的关系曲线.结果表明:流体在从泵进口到出口的过程中,静压和总压持续上升,最高压力出现在蜗壳螺旋段与扩散段结合处的外壁面处;固相颗粒主要集中在叶片工作面,从而会加剧叶轮叶片的磨损破坏速度;泵的扬程和效率随着固相颗粒浓度的增大而略有增加,通过比较改进前后圆盘泵的扬程曲线发现,改进后的泵的扬程提高明显.     

HD型石油化工流程泵内部固液两相分布规律

为了研究HD型石油化工流程泵首级双吸式叶轮、双蜗壳流道内部固液两相流动规律,应用计算流体动力学软件Fluent,基于雷诺时均N-S方程和k-ε紊流模型,采用SIMPLEC算法进行压力速度耦合,对双吸式叶轮、双蜗壳内的流场进行数值计算.同时分析不同初始固相体积分数以及不同颗粒直径条件下,叶轮及双蜗壳内的固相体积分数分布的变化规律,得到与单吸式叶轮、单蜗壳不同的流动规律.计算结果表明:在双吸式叶轮内,随着初始固相体积分数的增大,固相体积分数分布变化很大且变化规律明显,靠近吸力面侧固相体积分数较大,靠近压力面侧则较低;固体颗粒在双吸式叶轮中有向叶片吸力面侧运动的趋势,且随着粒径的增大颗粒会向叶片吸力面运动,但固相体积分数分布变化不大;在双蜗壳流道内,固相体积分数分布不均匀,在第一断面至第八断面固相体积分数相对较大,在扩散段外侧体积分数较大,内侧体积分数较小,固体颗粒有向外侧壁面运动趋势,固相体积分数显著较大.     

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。     

叶片进口边位置对单叶片离心泵性能的影响

为研究叶片进口边位置对单叶片离心泵性能和内部流动特性的影响,设计了6种不同叶片进口边位置的叶轮.在完成数值计算方法可靠性的试验验证后,分别对采用6种叶轮的泵进行了全流场定常数值计算.计算结果表明:叶片进口边沿前盖板或后盖板向泵入口适当延伸,可增强叶片对流体的控制能力和叶片的做功能力,扬程最大可分别提高1.61 m和0.70 m,效率最大可分别提高5.23%和2.01%;叶片进口边向泵入口延伸过多,会造成叶片入口处流体堵塞,某些工况下泵的扬程和效率反而会降低;叶片进口边沿前盖板或后盖板向泵入口延伸,可降低流体在叶片入口处的能量损失,能够提高叶片吸力面入口处的压力,和减小蜗壳内的低速区域,但是会增大叶片入口处、叶片压力面前端和叶片吸力面附近的低速区域.与叶片进口边沿后盖板向泵入口延伸相比,叶片进口边沿前盖板向泵入口延伸对泵的扬程和效率影响更明显.     

粗糙度对离心泵泥沙磨损特性的影响分析

采用欧拉-拉格朗日多相流模型,对双吸式离心泵抽送含沙水流的工况进行数值模拟,研究壁面粗糙度对泵水力性能以及叶片磨损状况的影响。结果表明:随着壁面粗糙度的增大,水泵的扬程、效率下降。叶片的粗糙度增大时,叶片磨损状况发生改变,叶片压力面的磨损强度降低,磨损严重的区域变小;叶片吸力面磨损加重,在叶片进口处磨损较强的区域增大;叶片压力面及吸力面受到轻度磨损的面积都增加。     

基于CFD技术脱硫泵的设计与试验

采用经验系数设计法对脱硫泵进行水力设计,适当增大叶片出口宽度,以改善颗粒通过性和叶轮出口的磨损情况.应用FLUENT软件,采用欧拉多相流模型,分别计算了颗粒直径为0.06,0.08和0.10 mm,体积浓度为11%工况下脱硫泵的两相流内部流场.得到以下结论：叶轮流道内,工作面上的静压值明显高于背面上的静压值;最低压力点出现在叶片进口背面侧,容易发生汽蚀;随着粒径的增大,颗粒逐渐向叶片工作面迁移.叶片的磨损主要发生在叶片进口处和叶片的出口段.通过试验验证：设计的脱硫泵效率为82.0%,性能曲线平坦,高效范围宽,各项技术指标均满足设计要求.     

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.     

基于固液两相流的纸浆泵磨损预测

分别采用Euler-Euler和Euler-Lagrange两相流模型对离心式纸浆泵进行了数值模拟,考虑叶轮间隙流动,预测了泵的磨损特性.欧拉方法采用Particle两相流模型,壁面的磨损程度与固相体积分数和滑移速度相关.拉格朗日模型采用Finnie磨损预估模型.开式叶轮纸浆泵多个流量工况的计算结果显示,欧拉方法预测的叶片和前盖板在设计流量下磨损严重,压水室在小流量工况时磨损严重.拉格朗日方法显示叶片和前盖板的磨损最严重,磨损率随流量增加先增大后减小,压水室和后盖板的磨损率逐渐减小.2种模型预测的叶轮与前盖板磨损严重的现象与实际吻合;拉格朗日模型可定量分析磨损部位和磨损程度等特性.本研究为纸浆泵的两相流数值模拟和磨损特性研究提供了一定参考.     

两种叶轮型式潜水排污泵的内流特征与通过能力

为了比较具有不同叶轮型式的2台潜水排污泵的通过性能,采用计算流体动力学方法和SST湍流模型,分别选用清水和固液两相流体为液体介质,模拟双流道污水泵与双叶片污水泵在3种不同流量工况(0.8Q,1.0Q,1.2Q)下的流动特征.对比2台污水泵在输送清水与固液两相流体时的流动参数分布,并对输送这2种介质时的固体颗粒速度和固相颗粒体积分数分布进行分析.结果表明:与双叶片污水泵相比,双流道污水泵内的流动参数分布更加均匀.双流道污水泵叶轮进口存在1个大尺度旋涡,在一定程度上提高了双流道污水泵的通过能力.对比双流道污水泵与双叶片污水泵内固相颗粒分布规律,发现双流道污水泵内固体颗粒的速度更快,局部固体颗粒聚集程度较小,因而双流道污水泵的通过能力强于双叶片污水泵.     

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.     

旋流泵固液两相流数值模拟

通过对旋流泵内部流道进行三维造型,利用雷诺时均方程、双方程湍流模型并结合SIMPLEC算法对其内部三维固液两相流场和清水单相流场进行了数值计算,得到了固相不同体积浓度、不同流量下的分布规律,并研究了外特性的变化规律.模拟结果表明:固相在叶片工作面分布较多;在叶轮里离后盖板越远,浓度越高;无叶腔分布浓度大于叶轮分布浓度;固相浓度的增加会引起扬程的减小.