基于动网格的上游泵送机械密封性能参数分析

为了准确获得上游泵送机械密封的液膜厚度,采用Pro/E软件建立螺旋槽上游泵送机械密封的三维参数化模型,应用Fluent软件的动网格技术,同时考虑空化的影响,对机械密封微间隙内流场进行了数值模拟.将得到的液膜厚度与有关文献的测试结果进行对比分析.在同时考虑空化模型和动网格技术的基础上,计算分析了工况参数对液膜刚度和泄漏量的影响.结果表明,应用动网格计算的液膜厚度与测试结果所获得的结果基本一致,最大相对误差为19.6%,最小相对误差为0,平均相对误差为8%,从而验证了动网格技术在机械密封内流场模拟中的可行性;机械密封内流场计算应当考虑空化问题,才能得到比较真实的内流场特性;液膜厚度、泄漏量和液膜刚度随着转速、介质压力的增大而增大,端面螺旋槽在产生泵送效应的同时也产生动压效应.     

介质温度对密封润滑膜颗粒沉积特性及性能影响

在考虑水的饱和蒸汽压力与温度的关系、黏温效应以及牛顿流体内摩擦效应基础上,建立了涉及润滑膜温度的上游泵送机械密封微间隙气液固多相流动计算模型,采用Fluent中Mixture模型和DPM模型进行了数值模拟,研究了介质温度对密封润滑膜固体颗粒运动、沉积分布、沉积率及密封性能的影响规律.研究表明:介质温度升高,外槽根高压区压力减小,吸入颗粒数量增多且进入槽区的颗粒更易向外槽根和坝区运动,进入膜区的颗粒多数在较大离心力和压力梯度力的作用下从外径侧逃逸,颗粒沉积区域向外槽根收缩,沉积率降低,转速较低时颗粒易在外槽根附近槽区沉积且介质温度越低沉积区域越向内槽根拓展,转速较高时则易在外槽根及坝区沉积;润滑膜开启力和摩擦扭矩随介质温度增大而减小,摩擦扭矩随转速升高而增大且对介质温度更敏感,泄漏量随介质温度的升高而向正泄漏方向移动.     

旋转圆盘表面固液两相流动数值模拟及试验研究

基于DPM离散颗粒模型,研究了旋转圆盘表面在固液两相流作用下冲蚀磨损行为,重点分析了颗粒体积分数、颗粒直径、颗粒进口速度等因素对旋转圆盘表面磨损的影响.结果表明,在旋转圆盘表面,磨损量随着半径的增大而增大,磨损量会随着时间而累积增加;当颗粒体积分数由2%增加到5%,圆盘的磨损量逐渐增加,最大磨损量由5.8×10^-7 kg/m²增加到1.3×10^-6 kg/m²,平均磨损量由7.5×10^-8 kg/m²增加到1.7×10^-7 kg/m²;随着颗粒直径的减小,相同体积分数下颗粒数目越多,圆盘的最大磨损量和平均磨损量都逐渐增加,圆盘表面磨损加剧.随着颗粒进口速度的增大,圆盘的最大磨损量和平均磨损量都少量增加.同时经圆盘试验验证,在旋转圆盘表面,随着半径的增大,3种不同材料的试件磨损量都增加,结果与数值模拟相吻合.且磨损形貌由2个磨损区域发展到3个,不同磨损区域的交界线呈抛物线状.     

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.     

螺旋管内气液两相流动阻力特性实验

以空气和水为工质,对螺旋管内气液两相流动阻力特性进行了实验研究,得到了不同工况条件下螺旋管内阻力数据,分析了质量流量及干度对管内阻力的影响,采用回归分析法建立了螺旋管内摩擦阻力系数关系式,确立了摩擦阻力与相关物理量的函数关系,在此基础上建立了螺旋管内气液两相流动摩擦阻力的计算公式,并用未参加回归分析的实验数据验证了该阻力计算公式。结果表明,螺旋管内气液两相流摩擦阻力随干度的增加呈线性增加,随质量流量的增加呈指数增加,所建立的管内摩擦阻力计算公式的计算值与实验值吻合得较好。     

螺旋离心泵固液两相非定常流动诱导力特性

采用雷诺平均N-S方程,结合滑移网格技术对150×100LN-32型螺旋离心泵进行了固液两相非定常流动的数值计算,给出了在不同固相体积分数下蜗壳出口面的压力脉动、叶轮径向力、叶轮轴向力以及作用在叶轮上扭矩的分布规律,并分析了固相体积分数的变化对其大小和方向的影响.结果表明,不同固相体积分数对蜗壳出口面压力、作用在叶轮上的扭矩、轴向力和径向力在1个周期内的变化趋势和力的方向没有影响,但各个力的大小随着固相体积分数的增加而增大;蜗壳内壁各监测点的压力在1个旋转周期内呈波动状态,并且波动趋势明显不同,这与各监测点的位置和叶轮与蜗壳之间的干涉作用有关,随着叶轮的旋转,在螺旋叶片的作用下,全流道内的压力顺着蜗壳内壁沿叶轮旋转的方向逐渐增大;固相体积分数的改变对蜗壳内各监测点的压力脉动趋势影响较小,固相体积分数的增加使得各监测点的压力值随着固相体积分数的增加而增加,但是固相体积分数变化对蜗壳表面压力波动的幅值影响较小.     

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。     

不同颗粒属性下旋流阀固液两相管道流动特性

采用欧拉-拉格朗日方法,对自行设计的旋流阀进行三维数值模拟,重点分析小颗粒粒径(10 μm)和大颗粒粒径(200 μm)2种颗粒共存时,不同颗粒密度(1 900,2 300,2 650 kg/m³)下,旋流阀内部的流动特性、管道出口流量和压力损失系数. 结果表明:旋流阀内部流场会产生偏离基圆中心的偏心旋流速度场和压力场,在偏心压力场中心会形成局部低压.由于压力能的减小,使得流体速度增加,产生了旋流加速.旋流阀的存在,使得管路中产生了大小不同的涡旋,在旋流阀出口,涡旋的延伸区域中,颗粒的含量减少. 小粒径颗粒从流体获得的速度较大;颗粒密度越大,阻力系数越大,能量损失越大. 较高的旋流速度,降低了颗粒在管路中的含量,有助于管道颗粒物迁移. 通过试验测试可以发现,由于旋流阀的存在,在其内部形成了旋流气柱;在旋流阀及其系统中,含有的杂质会在旋流的作用下旋转起来; 这在一定程度上验证了数值模拟中旋流阀的低压分布和旋流加速特性.     

边界滑移对螺旋槽上游泵送机械密封性能的影响

为了研究边界滑移对上游泵送机械密封性能的影响,建立液膜三维几何模型和计算模型,基于 Navier 线性滑移模型对液膜壁面边界条件进行修正,采用商用软件 Fluent 的 SIMPLEC 算法及层流模型求解三维 Navier －Stokes 方程,并分析相对滑移量对液膜静压分布、开启力、摩擦扭矩、泄漏量的影响规律。结果表明：相对于边界滑移发生的位置,滑移速度的大小对密封性能的影响更大;当相对滑移量较小时,存在边界滑移与无滑移的模拟结果无明显区别,能很好地解释宏观无滑移边界假设的应用,当相对滑移量较大时液膜动压效应随滑移的增加而减弱,开启力、摩擦扭矩、泄漏量都随边界滑移的增加而减小;相对于开启力的降低,边界滑移的减阻和降低泄漏的效果更为明显;当开启力较小,应避免边界滑移发生;当开启力足够大时,加工成超疏水表面形成边界滑移,可极大地减少摩擦扭矩,降低能耗。     

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.     

基于响应面法的上游泵送机械密封优化

为了找出更有效的优化方法,在考虑空化模型的基础上,以螺旋槽的几何参数(槽深h、螺旋角α、槽径宽径比β以及槽区宽度比γ)为设计变量,以泄漏量为优化目标,采用均匀试验设计法设计了50组机械密封端面槽型几何参数值,并利用CFD方法计算目标函数值,从而建立端面槽型几何参数和泄漏量的回归模型.运用Matlab软件绘制等值云图,利用响应面法分析端面槽型几何参数槽深、螺旋角、槽径宽径比以及槽区宽度比之间的交互作用对泄漏量的影响,并对机械密封微间隙内流场进行数值模拟验证,从而得到端面参数的最佳组合.研究表明:采用响应面法对上游泵送机械密封进行优化可行;螺旋槽的槽深h、螺旋角α、槽径宽径比β、槽区宽度比γ分别在6~12 μm,16°~20°,0.35~0.55和0.45~0.6取值时,能够获得更好的密封性能.     

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.     

双流体湍流模型对固液两相流计算的影响

为了研究固液两相流双流体模型的控制方程进行封闭时,采用不同方法进行模化产生的不同双流体湍流模型对固液两相流的计算结果产生的影响.研究了3种双流体湍流模型在不同固相条件和不同进口液相速度时对圆管内固相浓度和速度计算结果的影响,并与试验值进行对比.结果表明,不同工况时,3种双流体湍流模型的固相浓度计算结果在壁面附近的误差较大,都更适合计算流速大、含沙浓度高的固液两相流场;3种模型会显著影响含大粒径颗粒的固液两相流场的计算结果,而对小粒径颗粒影响较小;k_m-ε_m模型适用的固相浓度和流体速度的范围较广,具有更广泛的适用性;综合考虑固液两相流场各参数计算的准确性,当颗粒粒径大于165 μm时,k_l-ε_l-A_s模型更优,当颗粒粒径小于165 μm时,k_m-ε_m模型更优.     

端部效应修正螺旋窄槽理论应用于液膜机械密封的解析法

针对螺旋槽上游泵送机械密封的研究和设计过程中,利用未考虑修正因素的近似解析法所得结果与试验结果偏差进行比较,为准确、高效地解析计算螺旋槽上游泵送机械密封的性能,考虑液体进入螺旋槽时会产生压力损失的“端部效应”,对螺旋槽根处的压力进行了修正,获得了修正后的液膜压力分布近似解析表达式和密封的开启力.并将开启力与未修正的近似解析计算结果、数值模拟结果和试验结果进行了比较.结果表明:修正后的近似解析计算结果与数值模拟结果和试验结果基本吻合,当密封处于低压差工况时,与数值模拟结果的平均相对误差为19％,最大相对误差为62％,与试验结果的平均相对误差为86％,最大相对误差为155％;当密封处于高压差工况时,与数值模拟结果的平均相对误差为19％,最大相对误差为25％.研究结果可为上游泵送机械密封等液膜润滑机械密封的研究、设计和应用提供参考.     

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.     

搅拌浆液池固-液两相流搅拌的数值模拟

对固-液悬浮搅拌浆液池中的固液两相流场进行研究,进而讨论固体浓度对搅拌浆液池内液相流场的影响规律,是固液搅拌研究工作的重要组成部分,应用商业计算流体力学软件Fluent对浆液池中的流场进行模拟,基于N-S方程和标准的k-ε紊流模型,模拟出浆液池中液体的流动情况和体积分数的分布,分析垂直面内和水平面内液相流的流场分布规律、固相颗粒体积分数特点,并探讨了产生这种情况的原因,为搅拌器的设计和池液的改形提供参考。