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.     

气液两相流数值求解过程中虚假流动问题研究

基于静止液滴问题,对气液两相流数值求解过程中的虚假流动问题进行了研究。对虚假流动的涵义和特征进行了描述和分析,研究了表面张力、液体粘度等因素对虚假流动的影响。研究发现,计算域中虚假速度平均值与计算时间之间存在特定函数关系,并通过曲线拟合给出了相应的函数表达式,从而为虚假流动的削弱和消除提供了一个方法。分析了虚假流动成因,指出相界面迁移过程追踪方法的改进可有效削弱虚假流动现象,并通过CLSVOF方法与VOF方法模拟结果的对比对该结论进行了验证。     

固液两相流泵设计与实验研究

介绍了在两相流泵设计中两相流动的最低极限速度的选择与确定原则，讨论了固体颗粒对叶轮、泵壳内流动特性的影响；提出了两相流泵最经济输送范围下所具有的最佳重量浓度。     

自吸泵自吸过程气液两相流动特性

为了研究自吸泵自吸过程内部流动规律,以一台外混式自吸式离心泵为研究对象进行气液两相流动定常数值模拟,分析在不同进口含气率下叶轮和蜗壳气液两相分布以及平均静压分布规律,为自吸泵的优化设计提供依据.研究结果表明:气相最先聚集在靠近叶轮进口的叶片背面和隔舌区域,并随着进口含气率的增大,气相逐渐向叶轮和蜗壳流道内扩散,这不利于...     

冲击功对ZGMn13钢在腐蚀环境下冲击磨损的影响

针对不同冲击功对ZGMn13钢在腐蚀环境中冲击磨损机理的研究表明:冲击功由2.0J增至3.5J,合金冲击腐蚀磨损失效的主导机制由挤出棱沿根断裂及轻微浅层剥落和腐蚀磨损,向浅层的疲劳剥落和严重腐蚀磨损及深层加工硬化导致的硬化层大块剥落和严重腐蚀磨损转变;剥落裂纹由起源于亚表层显微孔洞、高密度位错区或表面腐蚀坑底部,转为起源于亚表层深处的晶体缺陷处。     

蜗壳内部含沙水两相流动的CFD模拟分析

基于N-S方程,对水轮机金属蜗壳在清水和含沙水两相流动时的内部流场进行了全三维CFD数值模拟,输送清水介质时采用标准k-ε湍流模型,输送含有固体颗粒的含沙两相介质时采用k-ε-Ap模型,采用笛卡儿坐标、混合四面体非结构网格和SIMPLE算法进行计算,揭示了含沙水两相流体在水轮机引水部件中的运动规律,分析了水轮机蜗壳内部流场两相流动机理,对蜗壳内部泥沙磨损进行了预测和分析,得出的模拟结果与实际电站的资料基本吻合,说明利用CFD模拟进行蜗壳内部泥沙磨损性能预测及优化设计是可行的。     

气液两相下离心泵内部流动数值模拟

为了研究在气液两相条件下,离心泵运行过程中内部流动及压力变化情况,选取比转数为129的离心泵作为研究对象,建立整泵的流场模型,基于仿真模拟软件CFX提供的Eulerian-Eulerian非均相流模型对模型泵进行了非定常数值模拟,得到在不同气相体积分数下,蜗壳流道内所选监测点和监测面的压力脉动及气相体积分布情况,并将数值模拟的性能曲线与试验进行了对比.结果表明:蜗壳流道内气相体积主要分布在与叶轮前盖板同侧方向.不同监测点在不同含气量下的压力脉动主频都等于叶片的通过频率.随着气相体积分数的增加,监测点压力幅值随时间呈周期性变化的规律开始受到破坏,压力脉动频域开始出现一定的紊乱,在低频处出现了一系列的波动.叶轮流道内气相分布不均匀致使叶轮周围液体压力分布不均匀,导致叶轮所受的径向力逐渐减小,周期性受到破坏.     

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。     

矿用多级抢险排水泵气液两相流动特性分析

为研究气液两相流对矿用多级抢险排水泵性能的影响,以一台四级矿用潜水离心泵为研究对象,采用 ANSYS CFX数值模拟方法,基于Eulerian-Eulerian多相流模型,对不同气体体积分数,不同气泡直径、四级离心泵进行气液两相流定常数值模拟.模拟得到气液两相流下的矿用多级抢险排水泵性能曲线及转子轴向力,并对扬程、效率、转子轴向力进行分析对比,同时分析泵内部气体分布规律.结果表明:在气液两相流条件下,气泡直径、气体体积分数都对泵的外特性及转子轴向力有显著的影响,在大流量、气体体积分数比较高的情况下,矿用多级抢险排水泵的扬程和效率会急剧下降,并出现转子残余轴向力与正常运行条件下转子残余轴向力方向相反的情况;内部流动中,气液两相流条件下叶轮出口出现局部回流,回流从吸力面流向压力面.     

涡轮反应器气固两相流动反应CFD模型数值模拟

根据涡轮反应器气-固两相流动反应模型,对涡轮反应器中流动、传热、传质和反应进行了系统的数值模拟,得到了各种条件下的颗粒轨迹图、温度分布图、密度分布图、涡轮反应器内连续相(气固混合相)的速度矢量图、轴向速度图、径向速度图、切向速度图、湍流强度分布图和气相湿度图。模拟结果表明：涡轮反应器内物料的运动为强湍流-涡旋流运动;内部的温度分布非常有规律,沿着径向和轴向均存在温度梯度;速度分布和转子叶片的安装角度有着较大的关系,而与热油温度无关;在进口处的速度较大,而后慢慢趋于平缓并达到一个稳态。     

多级中开式离心泵级间过水流道的流场分析

为了研究多级中开式离心泵级间过水流道的流速、静压及湍动能的分布规律,在设计工况下对多级中开式离心泵级间过水流道进行数值模拟计算.针对导流叶片附近产生的回流及旋涡现象,在原始设计的基础上,通过改变导流叶片的形状及位置,提出3种不同的改进方案.分别对改进方案进行数值模拟计算,分析了3种方案流场的变化并通过积分计算出4种不同级间过水流道的能量损失值,对比分析后确定方案二为最佳方案,并通过试验验证数值模拟计算的准确性.研究结果表明,流体沿级间过水流道流动,在过桥末段的导流叶片处产生回流及旋涡,造成一定的能量损失,从而影响离心泵的性能;可以通过改变前端进口角、后端出口角以达到提高多级中开式离心泵整体性能和效率的目的.     

荷电气固两相流动管内输运流场的试验研究

基于输运段对荷电颗粒凝并效率的影响，建立了荷电颗粒输运试验系统，以研究管内颗粒输运流场随电压的变化情况．利用网状目标法测定颗粒群平均荷电量，应用流场测量技术PIV系统研究外加电场对颗粒运动的作用，运用二值化互相关图像处理算法，获得输运断面上的荷电颗粒速度、涡量以及湍动能分布图．试验发现：当充电电压低于-10kV时，颗粒的荷质比随充电电压的降低而增加，在-60kV时基本达到饱和荷电量；输运段中颗粒速度、涡量的分布值随电压的降低而增加；湍动能的分布呈现单峰特性，在-50kV时出现最大值．     

迷宫螺旋泵气液两相流场的数值模拟及试验

基于混合物多相流模型、RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC算法,应用CFD软件Fluent对迷宫螺旋泵内气液两相流场进行数值模拟并通过试验进行验证.通过分析流道内不同截面上的压力、速度以及含气率分布,研究泵内气液两相流场的流动情况.模拟结果表明,压力分布从进口到出口沿螺旋槽逐渐升高,增压效果明显,速度分布在环形腔的外侧比在内侧稍大,螺旋部分含气率分布比较均匀,进出口处出现含气率分布不均匀现象,局部含气率较高,在此要防止气堵现象的发生.试验结果表明所采用的计算模型基本符合泵内部流动的实际情况,这说明模拟结果一定程度上揭示了迷宫螺旋泵内部气液两相流场的流动规律,可为迷宫螺旋泵气液两相流研究提供理论依据,试验结果同时表明迷宫螺旋泵进行气液混输时具有良好的曝气效果,可作为传统曝气设备的替代产品.     

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.     

静压干气密封端面流场数值模拟

为了提高静压干气密封的性能,基于N-S方程、层流模型、SIMPLEC算法,在节流孔直径和端面间隙变化的情况下,对静压干气密封流场进行数值模拟,重点考察了端面气膜压力及开启力的变化情况.数值结果表明：密封气在流经节流孔后形成显著的压力降,该压力降的大小会随端面间隙增大而增大,随节流孔径增大而减小.端面压力在均压浅槽区中心附近最高,向四周逐渐下降,在均压浅槽区边沿附近,压力梯度较大.开启力总体随间隙增大而减小,极小值接近于0.当端面间隙在5～12μm范围内,开启力随间隙增大而迅速减小,端面气膜具有很大的刚度.较小的节流孔直径可在小端面间隙条件下获得更大的气膜刚度.根据计算数据,对某轴径为30mm的反应釜搅拌器轴端密封,在转速为50～300 r/min范围内成功进行了台架实验,重点对泄漏量和端面磨损状况进行了监测,结果表明密封实现了稳定的非接触式运转.     

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.     

气液两相条件下离心泵内部流态及受力分析

为研究离心泵在气液两相条件下叶轮内部流态及受力情况,选取一比转数n_s=129的离心泵为研究对象,基于CFX软件提供的Eulerian-Eulerian非均相流模型对泵内部流场进行三维瞬态数值模拟,得到不同初始气相体积分数下叶轮流道内气相体积分数分布及叶片载荷等物理量变化规律,并将数值模拟结果与试验结果进行对比验证.结果表明:叶轮内气体主要集中分布在叶片吸力面区域,出口处则集中分布在流道中间区域,叶轮前盖板区域气相体积分数大于后盖板区域;当初始气相体积分数逐渐增大时,叶轮流道内流动紊乱,气液两相流动的不均匀性加剧,旋涡区域增大;随着初始气相体积分数的增大,叶片进口到靠近出口位置,叶片压力面所受压力载荷相对于吸力面减小的更快,而在出口位置附近叶片吸力面压力载荷减小的更快,叶轮径向力的不平衡性加剧,叶轮所受转矩减小.数值计算结果与试验结果在趋势上趋于一致.     

深海采矿混输泵内流场及粗颗粒运动特性

为了解决由于颗粒粒径大、流体相互作用复杂导致的混输泵内两相流动研究困难的问题,针对10 mm颗粒粒径的混输泵流动,使用标准k-ω模型,构建相同体积浓度、不同颗粒粒径的流动模型来研究粒径对于泵外特性的影响,并探究不同粒径颗粒在泵内的分布情况.同时,还结合熵产理论,研究不同流量下混输泵内的能量损失及泵内过流部件的局部熵产情况.结果表明,混输泵叶轮流道内,颗粒在叶轮入口处发生低速堆积现象,颗粒速度随径向距离增大而增大.另一方面,在两极之间,第2级叶轮入口颗粒堆积现象减弱.随着粒径减小,颗粒在叶轮流道内加速度增大,出口处小粒径颗粒速度较大,且小粒径颗粒贴叶片运动现象比较明显.对比熵产,两极之间第2级熵产损失明显较大,造成2级外特性差异.同时,对比熵产分布发现,第2级叶轮和导叶内的局部熵产生率较大.研究结果对深海采矿水力提升装置中粗颗粒混输泵内流动的研究具有一定的参考价值.