低浓度固液两相流相间阻力修正模型研究

低浓度固液两相流的相间阻力是影响固相浓度分布计算结果的重要因素。常用于固液两相流数值计算的Wen-Yu模型中,阻力系数是通过标准阻力系数曲线中添加浓度的影响得到的,并没有考虑湍流对阻力系数的影响。由于这一影响是惯性效应和湍动效应的综合体现,针对低浓度含沙水流,研究通过引入惯性因子和湍动因子来分别表达惯性项、湍流强度对阻力系数的影响。根据试验和理论研究,提出了湍流修正函数与惯性因子、湍动因子的表达式形式;利用试验数据并结合最小二乘法,确定了表达式系数,得到了湍流修正函数与颗粒雷诺数、湍流强度的关系式。通过对圆管内低浓度含沙水流的计算表明,运用湍流修正函数修正后的Wen-Yu模型,在不同的进口水流速度下,计算得到的固相浓度分布更接近试验结果。     

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.     

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.     

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.     

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.     

基于全因子试验碱液循环泵固液两相流数值计算与性能预测

通过全因子试验设计并结合欧拉-欧拉多相流模型对碱液循环泵进行全流场固液两相流动数值模拟,对含不同颗粒直径(0.2,0.6,1.0 mm)、不同颗粒体积分数(5%,15%,25%)和不同颗粒密度(2 400,2 800,3 200 kg/m³)时碱液循环泵的外特性数值解进行定量分析.结果表明:颗粒体积分数以及颗粒体积分数与颗粒密度的交互作用对碱液循环泵外特性影响较大;颗粒直径与颗粒密度作为与颗粒质量相关的量,对流场的作用也较为相似.建立了不同颗粒属性与碱液循环泵外特性相关的数学模型,并对碱液循环泵输送含有固相颗粒介质的外特性进行定量数值预测,为碱液循环泵的水力设计提供了理论参考.     

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。     

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.     

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。     

螺旋轴流泵的固液两相流动数值模拟

为研究螺旋轴流泵输送含有沙、油和水的固液两相时内部的流动情况,基于Ansys CFX软件,应用RNG k-ε湍流模型,采用固相颗粒直径为2 mm,初始体积分数分别为5%,10%,15%,以及液相油初始体积分数分别为5%,10%,15%时,对螺旋轴流泵叶轮流道内固液两相流场内部变化规律进行数值计算.结果表明:沙和油的分布规律相似,主要集中于叶轮进口边轮毂头部、叶轮外缘区域;当沙和油的初始体积分数改变时,其对应的过流部件内体积分数分布也发生了变化,分布区域也有所改变,说明沙和油两相互相影响对方的分布;当沙和油的初始体积分数一定时,各相的相对速度变化规律总体上趋于一致,其相对速度由大到小依次为沙、油和水;扬程和效率的计算曲线与试验曲线基本吻合,扬程误差值在3%左右,效率误差值在4%左右,说明试验方案的设计合理可行,数值模拟结果较为准确.     

基于CFD-DEM耦合的水力旋流器水沙运动三维数值模拟

针对水力旋流器内流场运动复杂、沙粒运动规律难以掌握的问题,运用基于颗粒动力学理论的欧拉-拉格朗日液固多相湍流模型,对水力旋流器内的水沙两相三维流动进行了CFD-DEM耦合数值模拟研究,分析了水力旋流器内单个沙粒的轨迹线、速度和沙粒群的运动规律、分布特性等。模拟结果表明,沙粒粒径越小,沙粒向下运行的距离越短,越容易从下降流中进入到上升流中,越难以分离。粒径为40μm的沙粒,在圆柱体与圆锥体交界面处出现沙粒峰值,分离效果易受影响,而50μm和60μm沙粒在圆锥体部分出现峰值,具有较好的分离效果。通过跟踪单个沙粒和沙粒群的运动可知,沙粒在圆柱体内主要作圆周运动,进入到圆锥体部分,沙粒既有圆周运动,又有明显的进入沉沙口的直线运动。分析大量沙粒个体和群体运动以及群体分布情况能从微观角度了解水力旋流器的分离效率,是水力旋流器性能研究的有效手段。     

双流道泵内非定常固液两相流的数值分析

采用Mixture多相流模型、标准的k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,应用FLUENT软件对双流道泵内固液两相湍流进行了非定常数值模拟.研究结果表明:不同时刻,泵流道内的压力分布明显不同,呈现周期性变化规律;在叶轮流道内,固相体积浓度分布极不均匀,颗粒主要集中于叶轮出口处的工作面和后盖板上,而在蜗壳流道内,固相颗粒多集中于离叶轮半径较大的蜗壳壁面上.     

基于CFD-DEM的旋流泵混合颗粒固液两相流研究

为了探究折叶片旋流泵固液两相输送机理,基于CFD-DEM (Computational fluid dynamics-discrete element method)耦合算法,选用油菜籽和黄豆颗粒等比例混合,在不同流量工况和体积分数下对旋流泵进行固液两相流数值模拟和试验研究。同时也研究了折叶片旋流泵内部流动规律及颗粒分布特征。小流量工况下,进口管内螺旋回流长度较长,对进口来流扰动较大。随着流量增大,进口管回流长度逐渐缩短。叶轮前端面旋涡随流量增大,数量先增加后减少,且逐渐向折点方向聚拢。泵内颗粒受循环流和贯通流的共同作用,进口管中心部颗粒主要受贯通流影响,直接穿过无叶腔,冲击叶轮进口;靠近管壁的颗粒受循环流影响较大。无叶腔内颗粒分布呈现出：中心部最高,中间部随外径增大浓度逐渐降低,外缘部浓度稍有上升。叶轮前半部颗粒数量明显少于叶轮后半部,颗粒沿叶片第1段折边运动,在折点处开始发生分离,不再跟随第2段折边。不同工况下,泵进口有不同程度的螺旋回流现象,导致进口过流面积减小。循环流的存在,使得无叶腔和进口管的颗粒充分旋起,泵送能力增强,不易发生堵塞。     

大尺寸固体颗粒提升过程中管道内的固液两相流动特征

为了研究不同性质的大颗粒固液两相流对深海采矿输送系统的影响,应用商用计算流体力学软件STAR-CCM+中的离散单元法(DEM),对垂直管道内不同工况时的流动特征进行了数值分析.研究结果表明:在输送含有不同粒径颗粒的固液两相流时,颗粒的平均速度随着颗粒直径的增大而下降;随着中间尺寸颗粒(d_p=15.0 mm)体积比的增大,颗粒的平均速度降低,大颗粒的滑移速度降低,小颗粒的滑移速度升高;大颗粒趋向液体速度较低的区域聚集,而小颗粒趋向液体速度较高的区域聚集.在输送含有不同形状颗粒的固液两相流时,当颗粒的形状系数减小时,颗粒的平均速度先降低后增大,颗粒的滑移速度先增加后下降;相比于球形颗粒,形状系数较小的颗粒受到的壁面效应更加严重,更容易在壁面附近发生速度骤降;球形颗粒(颗粒的形状系数为1.0)的平均速度最高,平均滑移速度最低,颗粒速度沿管道径向的分布最为均匀.     

基于CFD-DEM的饲料调质器物料运动模拟与试验

为探究饲料调质器中物料的运动规律和黏结状态,基于CFD-DEM耦合的方法对调质器的工作过程进行仿真建模和作业参数优化。耦合模型建立方法：采用Pro/E三维软件建立调质器结构模型;利用Gambit软件对其进行网格划分,利用Fluent中的RNG k-ε湍流模型作为流体模型;利用离散元软件EDEM中的Hertz-Mindlin with bonding模型建立饲料原料湿黏模型,并对两种模型进行边界参数和耦合参数等设定。以桨叶安装角、调质轴转速、填充率为试验因素,以调质器出料量为评价指标,按照三因素五水平正交旋转组合试验设计方法进行试验研究。利用Design-Expert 8.0.6软件回归分析法和响应面分析法,建立了3个因素对调质器作业评价指标影响的数学模型,对调质器模型作业参数优化并进行了试验验证。结果表明,各因素对调质器出料量的影响显著性由大到小依次为填充率、调质轴转速、桨叶安装角;最佳作业参数组合方案为：桨叶安装角38.49°、调质轴转速182.2r/min、填充率58.4%,此时调质器出料量较高,生产率为13.1g/s。     

基于欧拉固液两相流模型的泵站进水侧流场三维模拟

针对泵站过水建筑物中出现大量的泥沙淤积和不良流态,基于欧拉固液两相流模型对大型泵站进水侧流场进行三维CFD数值模拟.数值模拟结果表明,泵站原始的布置方案会引起低速区、漩涡以及回流等不良的进水流态,会导致在泵站前池出现泥沙淤积的现象.为了改善泵站进水流态和减少前池的泥沙淤积,对泵站分水堰形状进行修改并在引渠段加设整流底坎.数值模拟结果显示,通过对泵站原始布置方案的修改,消除了前池内的回流,漩涡的范围也有所减小,泥沙淤积的现象得到了较大的改善,水流中的泥沙体积分数平均减少了13％.     

基于CFD-DEM的秸秆还田机碎秆运动特性分析与试验

为明确玉米碎秆在粉碎室内运动机理,基于CFD-DEM耦合分析不同粉碎刀轴转速碎秆运动过程和受力变化规律。仿真结果表明,当转速为1900、2000r/min时,碎秆-粉碎室壁面平均相互作用力波动较为剧烈,2300r/min时稳定在（175.228±19.08）N,且碎秆平均能量大幅增加。当转速为1900、2000、2300r/min时,碎秆间平均作用力最大分别为10.61、7.78、18.76N,〖JP2〗碎秆-粉碎刀轴壁面平均作用力分别稳定在（112.36±8.32）N、(101.15±8.02)N和（107.25±4.97）N,碎秆抛撒均匀度分别为(85.40±4.77)%、(78.52±5.56)%和(75.17±5.32)%。粉碎刀轴转速增大,使得碎秆-碎秆及碎秆-粉碎室壁面平均相互作用力增大,导致碎秆间及碎秆与粉碎室壁面的碰撞次数增多,加剧了碎秆能量的损耗,过大转速不利于碎秆抛撒均匀度提升。为验证仿真结果,进行田间试验验证。结果表明,当转速为1900、2000、2300r/min时碎秆抛撒均匀度分别为（82.35±6.57）%、（76.14±7.18）%和（74.22±5.65）%。田间试验和仿真结果表明在碎秆长度达标后,增大粉碎刀轴转速不利于抛撒均匀度提升,且作业功耗上升较大,同时验证了仿真的准确性。该研究可为玉米秸秆还田机设计和优化提供支撑。     

离心泵叶轮固液两相流动及泵外特性数值分

基于N-S方程和标准k-ε湍流模型,采用SIMPLEC法,对离心叶轮三维固液两相流场进行了耦合计算,得到了固相(颗粒)不同粒径、不同体积浓度不同密度以及不同流量时的固相(颗粒)浓度分布,并研究了外特性的变化规律.模拟结果表明,颗粒本身的性质密度、粒径对颗粒的分布及运动规律影响较大,密度、粒径越大的颗粒在惯性力作用下易偏向工作面;颗粒体积浓度对颗粒的分布略有影响;泵在非设计工况下运行时,相对进口液流角的变化影响了颗粒在叶轮内的分布情况;颗粒密度、粒径、固相体积浓度的增大会引起扬程的减小.     

基于CFD-DEM的收获机分离室内谷物运动模拟与试验

采用计算流体力学与离散元耦合的方法对割前摘脱稻麦联合收获机惯性分离室内谷物的运动进行数值模拟。仿真结果表明:籽粒和短茎秆在气流作用下能够实现分离,分离室入口气体速度增加,有助于提高分离室初清选谷物的性能,但入口气体速度增加使得分离室后部气体湍流现象加重,且能耗也随之增加;不饱满籽粒能在分离室内实现沉降。对仿真结果进行了试验验证,结果表明利用CFD-DEM对分离室内谷物运动进行数值模拟是可行的。