基于颗粒轨道模型的螺旋离心泵内固液两相流动特性研究

【摘要】螺旋离心泵是一种将螺旋泵和离心泵的优点融为一体的新型杂质泵,其主要结构是螺旋离心叶轮,入口部分为螺旋叶片,出口部分类似为混流式叶片,叶轮螺旋段有近似容积泵的作用,离心段将在叶轮中获得能量的输送介质送入蜗壳,使其能量转化为压力能,螺旋离心泵是一种具有极好地无堵塞、无缠绕与损伤少的杂质泵。通过计算流体动力学原理,基于颗粒轨道模型,从研究螺旋离心泵输送固液两相流时内部流动特性的角度出发,分析了固液两相流中固相颗粒的运动轨迹,输送固相颗粒不同属性和固相体积分数下固相颗粒的能量变化趋势、过流部件上发生磨损的部位、磨损形式和螺旋离心泵性能的变化规律,主要内容包括：一方面,从理论上分析了螺旋离心泵内部流动区域中流体的流动状况,应用连续相方程和固相颗粒控制方程,在基本假设下将流体在叶轮中的流动和固相颗粒在连续相介质的挟带作用下的受力状况进行分析,并讨论了颗粒轨道模型的适用范围及可行性分析,为数值模拟来研究螺旋离心泵输送固液两相流介质时的流动特性和性能变化提供理论基础。另一方面,通过数值计算,在清水工况下分析了内流场的速度分布、压力分布以及不同截面上的面流线分布,并对外特性的计算结果和实验结果进行了对比,在输送固液两相流工况下,分析了固相颗粒在计算域内的运动轨迹、过流部件表面的固相质量浓度和不同固相体积分数对螺旋离心泵过流部件的磨损和对外特性的影响,由此得出了基于颗粒轨道模型的螺旋离心泵内输送固液两相流体介质时的流动特性以及与其优越的抗堵塞特性和抗磨损特性等之间的内在联系。通过理论分析和数值计算,对螺旋离心泵整个流动区域的数值计算结果进行了定性以及定量的对比分析,获得主要结论如下1、叶轮的主要做功区域为螺旋段,计算域内有回流和二次流存在,小流量工况下的液体流态相对不稳,产生二次流和撞击流的部位较多,水力损失较大；2、固相颗粒属性和入射位置的变化对螺旋离心泵过流部件的磨损方式和磨损程度各异,运动轨迹也受其影响,颗粒粒径和体积分数的变化与其对液相流动干扰呈正比；3、相同固相体积分数下,在输送d=0.05mm和d=0.2mm的极微颗粒和细小沙粒时,进口段颗粒速度变化波动较大,进入叶轮域后,液相对较大粒径固相颗粒的挟带能力变小,相对阻滞作用越明显,从而产生速度滑移,固相颗粒不会和液相一起移动以致其轨迹改变,造成流动无序；4、固相颗粒以一定速度进入叶轮后,会与叶轮头部发生冲击,造成该区域固相质量浓度分布较集中,并以冲蚀磨损为主,随叶片包角增大,对叶轮的磨损部位更靠近出口轮缘附近,其磨损形式主要以磨粒磨损为主；5、粒径和固相体积分数的增加,致使液相对固相颗粒的挟带能力减弱,重力作用下发生的固相沉降等因素导致的泵扬程和效率下降会被考虑,并且存在一个经济的粒径和固相体积分数范围,使输送固相颗粒时螺旋离心泵输送能力有所提高。本文对螺旋离心泵固液两相流的研究具备一定创新性：1、在数值计算方法上,提出采用基于Euler-Lagrange坐标的颗粒轨道模型,在Euler坐标系下考察连续相流体的运动,在Lagrange坐标系下考察离散相颗粒的运动,对螺旋离心泵内部流场进行了数值模拟；2、在对计算结果的分析角度上,通过研究固相颗粒在螺旋离心泵内部流道内的运动轨迹和过流部件上固相体积浓度的分布规律,对固相颗粒的运动规律和过流部件的磨损部位进行预测,并将整个流道沿轴向划分为三个部分,对颗粒轨迹与相对应位置的能量变化进行定量分析,对于螺旋离心泵性能的提高、过流部件的磨损规律以及叶片优化设计理论的完善具有很好的指导意义。
【作者】申正精；
【导师】李仁年；韩伟；
【作者基本信息】兰州理工大学，流体机械及工程，2014，硕士
【关键词】螺旋离心泵；颗粒轨道模型；固液两相流；数值模拟；磨损；

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