（流体机械及工程专业论文）盐析两相流理论及旋流泵内部流动的研究.pdf

摘要 摘要 伴有盐析的两相流动现象普遍存在于相关工业生产部门的盐类溶液输运流 程中，结盐会造成能源与资源的极大浪费，这是学术界和工程界迫切需要解决的 难题。目前对盐析两相流动理论的研究仍处于探索之中，叶轮机械内部盐析流动 机理尚未被揭示。在国家自然科学基金项目( n o ，5 0 4 7 6 0 6 8 ) 及江苏省普通高校 研究生培养创新工程项目( n o c x 0 7 b 0 9 3 z ) 的资助下，本文选择适用于盐类溶 液输运的旋流式模型泵为研究对象，以具有典型盐析特性的硫酸钠过饱和溶液为 输送介质，围绕盐析两相流动理论、旋流泵内盐析两相流动机理等问题进行了较 为系统的研究，主要工作及取得的创新性成果如下： 1 、从分析盐析过程基本理论入手，详细阐述了晶体成核及生长、晶体颗粒 输运等过程及其与流动的关系，研究认为：盐析进程中，过冷度( 过饱和度) 是 盐析晶体晶核形成最直接的相变驱动力，非均相成核与碰撞成核是泵内盐析晶体 成核的主导机制，且成核速率、成核后的晶体颗粒粒径与浓度分御受当地流动条 件的制约。 2 、借鉴界面相理论的思想，首次提出并定义了邻界区概念，用以描述盐析 层及其邻近区域特征，并将其划分为盐析界面层、吸附层和过渡层三部分，每一 部分的结构与特性各不相同，在盐析过程中所起的作用也有差异；同时也对盐析 层的内部结构及特性进行了分析，阐明了赫析层增长的数学处理方法及实验研究 方法，由此提出研究泵内盐析进程时可建立“扬程一盐析时间关系的设想。 3 、在上述研究基础上，采用双流体模型构建了比较符合实际的盐析流动物 理模型，再利用流体力学方法建立了完整的盐析两相湍流流动方程组，给出了质 量、动量、能量交换率及其它本构关系式，并采用七一g k 。模型对方程组进行 封闭；在方程中计入因叶轮旋转而产牛的离心力和科氏力等惯性力的作用，建立 了叶轮机械中的盐析两相流方程组。 4 、提出引入粒数衡算模型( p b m ) 来描述泵内因盐析晶体颗粒间及颗粒与 叶轮叶片或流道内壁间碰撞而产生的聚并、破碎等微观行为，并将其与宏观属性 联系起来。研究表明用p b m ，c f d 的耦合方法可提高双流体模型的精度，对其应 用于盐析流场计算的方法及存在的问题进行了分析，为盐析两相流动研究提供了 江苏大学博士学位论文：盐析两相流理论及旋流泵内部流动的研究 一种新方法。 5 、基于e u l e r i a n 多相流模型和混合的r n g k 一占两方程湍流模型，采用滑移 网格技术，对模型泵内的盐析两相流场迸行了全流道、三维非定常计算，初步揭 示了不同时刻、不同温度条件下泵内液相和盐析晶体颗粒相的运动特性及颗粒的 迁移规律；根据颗粒浓度分布特点，推测泵内的盐析进程为：盐析层最初在压水 室内壁及叶片工作面形成并不断增厚，最终堵塞流道。此外对泵送清水和盐溶液 时的性能也进行了预测，并将结果与外特性试验数据对比。 6 、运用p i v 在径向和轴向两种测量模式下对泵内不同外部条件下盐析两相 流场进行了准三维测量，经图像后处理，获得了盐析晶体颗粒在叶轮内、无叶腔 中及轴面上的速度矢量分布，实现了颗粒流场的可视化，更为直观地揭示了泵内 盐析颗粒的运动规律。计算得到的颗粒运动规律与p 实验结果基本一致，但 在数值上与实验值存在一定差异。 7 、摸索了一套p d p a 应用于叶轮机械内部盐析两相流场测量的有效方法， 并对模型泵内盐析两相湍流流动进行了较细致和全面的测量，获得了盐析两相在 无叶腔与叶轮内的湍流流动特性、盐析晶体颗粒粒径分布及浓度分布规律，并通 过改变运行工况、输送介质温度、浓度等这些影响泵内盐析流动体系的主要参数， 发现并详细分析了盐析流动随外部条件改变后的演化规律，基本掌握了无叶腔及 叶轮内的盐析流动机理。 本文的研究成果、研究方法在一定程度上可以推广应用于其它类型叶轮机械 内的盐析流动的研究。 关键词：盐析两相流，叶轮机械，旋流泵，数值计算，p i v 测试，p d p a 测试 a bs t r a c t t h es a l t - - o u tt w o - - p h a s ef l o wp h e n o m e n o ne x i s t sw i d e l yi nt h es a l ts o l u t i o n t r a n s p o r t i n gp r o c e s si nr e l a t i v ei n d u s t r i a ld o m a i nd e p a r t m e n t s i ti sad i f f i c u l ti s s u e b o t hi na c a d e m i ca n dp r o j e c tf i e l dt h a tc o s t sv a s tw a s t eo f e n e r g ya n dr e s o u r c e a t p r e s e n t ，r e s e a r c h e so nt h es a l t o u tt w o p h a s ef l o wt h e o r ya r e ：s t i l lo ne x p l o r a t i o nr o a d ， e s p e c i a l l yi nt h ei n t e r n a lf i e l do fi m p e l l e rm a c h i n e r y u n d e rt h es u p p o r to fn a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef u n d ( n o 5 0 4 7 6 0 6 8 ) a n dp o s t g r a d u a t ec u l t i v a t i o ni n n o v a t i o np r o j e c t o fj i a n g s up r o v i n c e ( n o c x 0 7 b _ 0 9 3 z ) ，v o r t e xm o d e lp u m ps u i t a b l ef o rs a l ts o l u t i o n t r a n s p o r t i n gi sa d o p t e da st h es t u d yo b j e c t ，a n ds o d i u ms u l f a t es u p e r s a t u r a t e ds o l u t i o n w i t hr e p r e s e n t a t i v ec h a r a c t e r i s t i c so fs a l t - o u ta st h ec o n v e y i n gm e d i u mi nt h i sp a p e r s y s t e m a t i cs t u d yo ns a l t - o u tt w o - p h a s ef l o wt h e o r ya n ds a l t - o u tf l o wm e c h a n i s mi n t h ev o r t e xp u m ph a sb e e nd o n e t h em a j o rw o r k sa n da c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w i n g 1 b a s e do nt h eb a s i ct h e o r i e so fs a l t - o u tp r o c e s s ，d e t a i l e dd e s c r i p t i o n sa b o u t c r y s t a ln u c l e a t i o na n dg r o w t h ，c r y s t a lp a r t i c l et r a n s p o r t a t i o na n dt h er e l a t i o nw i t h f l o wc o n d i t i o n sa r eg i v e n i ti sc o n c l u d e dt h a ts u p e r c o o l i n g ( o rs u p e r s a t u r a t e d ) i st h e d i r e c td r i v i n gf o r c eo fp h a s ec h a n g ei nt h en u c l e a t i o np r o c e s s h e t e r o g e n e o u sa n d c o l l i s i o nn u c l e a t i o nb e c o m ed o m i n a n tm e c h a n i s m sd u r i n gp u m ps a l t - o u t n u c l e a t i o n v e l o c i t y , c r y s t a lp a r t i c l es i z ea n dc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o na r ea f f e c t e dm o s t l yb y l o c a lf l o wc o n d i t i o n s 2 t h ei d e ao fi n t e r f a c ep h a s et h e o r yi sh e l p f u lf o rp r o p o s i n ga n dd e f m i n gt h e n e a ri n t e r f a c ez o n e i ti sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t st od e s c r i b et h es a l t - o u tl a y e ra n d z o n e sn e a r b y , s u c ha ss a l t o u ti n t e r f a c e ，a d s o r p t i o na n dt r a n s i t i o nl a y e r e a c hp a r tw i t h v a r i o u ss t r u c t u r e sa n df e a t u r e sm a k e sd i f f e r e n tf u n c t i o n so ns a l t - o u tp r o c e s s a n a l y s i s o ni n t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c so fs a l t - o u tl a y e ri sa l s ot a k e n m a t h e m a t i c a la n d e x p e r i m e n t a lm e t h o d so nt h el a y e ri n c r e a s i n ga r ei l l u m i n a t e d a na s s u m p t i o no n l o o k i n gf o r “p u m ph e a d t i m e ”r e l a t i o ni sp r o p o s e df o rp u m ps a l t - o u tr e s e a r c h 3 a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lp r o c e s s ，t w o f l u i dm o d e li s u s e dt os e tu pt h e p h y s i c a lm o d e lo fs a l t - o u tf l o w t h e nt h ew h o l es a l t - o u tt w o p h a s e t u r b u l e n tf l o w e q u a t i o n sa r ee s t a b l i s h e db yf l u i dm e c h a n i c sm e t h o d s c o n s t i t u t i v er e l a t i o n sa r ea l s o g i v e n ，s u c ha sm a s s ，m o m e n t u m ，e n e r g ya n ds oo n e q u a t i o ng r o u pi sc l o s e db y k 一占- k 。m o d e l i no r d e rt oe s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c sm o d e li ni m p e l l e rm a c h i n e r y , 江苏大学博士学位论文：盐析两相流理论及旋流泵内部流动的研究 c e n t r i f u g a la n d c o r i o l i sf o r c e sd u et ot h ei m p e l l e rr o t a t i o na r ei n v o l v e di nt h ee q u a t i o n s 4 p o p u l a t i o nb a l a n c em o d e l ? b 峋i si n t r o d u c e dt o d e s c r i b et h ep a r t i c l e m i c r o s c o p i cb e h a v i o r so fc o a l e s c e n c ea n db r e a k a g e ，r e l a t et ot h em a c r o s c o p i cf e a t u r e s a sw e l l i ts h o w st h a tp b m c f dc o u p l i n gm a yi m p r o v et h ep r e c i s i o no ft w o - f l u i d m o d e l w a y sa n de x i s t i n gp r o b l e m so fa p p l i c a t i o no ns a l t - o u tf l o wf l i e dc a l c u l a t i o na r e d i s c u s s e d i tp r o v i d e san e ww a yf o rs t u d y i n gt h es a l t - o u tt w o - p h a s ef l o w 5 b a s e do nt h ee u l e r i a nm u l t i p h a s em o d e la n dm i x t u r er n gk 一占t u r b u l e n t m o d e l ，t h r e ed i m e n s i o n a lu n s t e a d yt u r b u l e n ts a l t o u tf l o wf i e l di nt h ep u m pi s s i m u l a t e db ym o v i n gm e s ht e c h n i q u e i ti sap r e l i m i n a r ys t u d yo nt h em o v e m e n t sb o t h l i q u i da n ds a l t o u tp a r t i c l ep h a s e s a td i f f e r e n tt i m ea n dt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s a c c o r d i n gt ot h ep a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n ，t h es a l t - o u tp r o c e s si nt h ep u m p c a nb ep r o p o s e dt h a ts a l t - o u tl a y e rm a yf o r m e do nt h ei n t e m a lw a l lo fp u m pc h a m b e r a n dp r e s s u r es i d eo fi m p e l l e ra tf i r s t ，a n dt h i c k e n i n gu n t i lb l o c k e dt h ew h o l ep a s s a g e f i n a l l y p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o no ft h ep u m pw h e nt r a n s p o r t i n gw a t e ra n ds a l ts o l u t i o n i sa l s os t u d i e d r e s u l t sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e dw i m e x p e r i m e n t a ld a t a 6 t h es a l t - o u tf l o wf i e l di sm e a s u r e do nt h r e ed i m e n s i o n sb yp a r t i c l ei m a g e v e l o c i m e m t e r ( p i v ) v i ar a d i a la n da x i a lt w ot e s tm o d e l s a f t e ri m a g ep r o c e s s i n g ， v e l o c i t yd i s t r i b u t i o no fc r y s t a lp a r t i c l e si nt h ep u m pi so b t a i n e d p a r t i c l ef l o wf i e l di s v i s u a l i z e dt or e v e a lt h ep a r t i c l em o t i o nl a wi n t u i t i o n a l l y e x c e p tf o rt h en u m e r i c a l d i f f e r e n c e ，c o m p u t a t i o n a lr e s u l t sa r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t hp d a t a 7 p h a s ed o p p l e rp a r t i c l ea n e m o m e t e r ( p d p a ) i su s e dt om e a s u r et h es a l t - o u t f l o wf i e l di nt h ep u m pi nd e t a i la n dc o m p l e t e l y a ne f f e c t i v em e t h o di sg r o p e df o r i m p e l l e rm a c h i n e r yi n t e r n a lf l o wm e a s u r e m e n t t u r b u l e n tf l o wf e a t u r e s ，c r y s t a l p a r t i c l es i z ea n dn u m b e rd e n s i t yd i s t r i b u t i o ni nt h ei m p e l l e ra n dv o l u t ea r eo b t a i n e d e v o l u t i o nr u l eo fs a l t o u tf l o ww i t hd i f f e r e n te x t e r n a lc o n d i t i o n si sf o u n da n d a n a l y z e dv i ac h a n g i n gt h em a j o rf a c t o r st h a ta f f e c t i n gf l o ws y s t e m ，s u c ha sp u m p r u n n i n gc o n d i t i o n ，c o n v e y i n gm e d i u mt e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o n t h es a l t - o u t f l o wm e c h a n i s mi nt h ep u m pi sb a s i c a l l yg r a s p e da tl a s t r e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa n dm e t h o d sf r o mt h i s p a p e rc a nb ee x t e n d e da n d a p p l i e do nt h es a l t - - o u tt w o - p h a s ef l o wi no t h e rt y p e so fi m p e l l e rm a c h i n e r y k e yw o r d s ：s a l t - o u tt w o p h a s ef l o w , i m p e l l e rm a c h i n e r y , v o r t e xp u m p ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，p m e a s u r e m e n t ，p d p am e a s u r e m e n t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密彩 学位论文作者签名：j 易众 卅年矿月p 日 指导教师签名： 易只o 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 雅帅 ：k 月 名 石 签者 年 作昕， 文 嘣 砂 位 期 学 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的研究背景、目的和意义 盐析是指以钠、钾离子为主要成分的单一或多种物质的混合盐溶液中晶体物 质析出、生长、沉积的过程。析出的晶体颗粒随溶液一并输运，形成伴有盐析的 液固两相流动，将此简称为盐析两相流。 与普通液固两相流类似，实际输运过程中的盐析两相流一般呈湍流流动制 式，盐析过程与流动参数密切相关。在各种成核机制、生长条件的约束下，盐溶 液在输运过程中不断核化，生成的晶核又不断长大，这种析出过程的实质为动态 的相变过程，此过程受周围流体的湍流流动结构的制约，同时，析出的晶体颗粒 在对流及各种扩散势作用下发生物质迁移，形成一定的颗粒浓度分布，不同的颗 粒浓度导致不同的盐析特性，迁移至壁面的颗粒甚至伴有化学反应的产生；而这 些晶体颗粒的存在又会反作用于流场，使得周围流体的流速、脉动等湍流流动特 征发生改变，如此盐析和流动相互影响、相互制约，最终形成异常复杂的盐析两 相流动体系。对盐析两相流的研究需涉及两相流体动力学、晶体生长动力学、传 热传质理论、材料科学与工程理论及相应的实验研究理论与方法，属于多学科强 交叉的研究。 盐析两相流是工业中常见的现象，普遍存在于石油、化工、造纸等行业的盐 类溶液输运过程中。盐析现象产生后，从溶液中析出的晶体颗粒在各种输运势作 用下发生沉降并粘结于输送设备内壁，形成盐析层，又称之为结盐。图1 1 1 示 出了在制浆造纸碱回收及盐湖采输卤流程中盐析现象发生后粘结于管道内壁及 输送泵叶片上的盐析层形貌。盐析层一旦形成后会随着流程运行而不断增厚，且 难以清除，由此改变了流程的技术参数，最终将堵塞流道，必须进行设备的清洗 或更换，严重影响了流程的正常运行，造成了能源与资源的极大浪费。目前工业 生产部门只能采取上述被动的方法应对由结盐造成的后果，防结盐技术、装备的 研发和应用工作几乎是空白，其原因就是长期以来一直缺乏合适、可靠的理论指 导，缺乏对盐析流动机理的研究。 近年来，对盐析两相流动的研究受到了国内外科技工作者的重视，进行了从 江苏大学博士学位论文：盐析两相流理论厦旋流泵内部流动的研究 理论基础到实际技术应用一系列较为系统的研究和丌发_ t 作，取得了一定的进 展，但由于盐析流动体系的复杂多样性，具有指导意义的完善的普适性理论尚未 建立，对盐析流动机理、盐折输运理论尚未充分认识，尤其是对作为输送过程巾 最关键的设备叶轮机械( 泵) 内的盐析流动的研究还处于起步阶段。 围1 11 粘结于管道内壁殛泵叶片上的盐析屡 旋流泵( 以下简称为泵) 的特殊过流部件结构及工作原理，决定了其应用于 盐析液同两褶流输送时所只有的明显优势：( 1 ) 牛丌式的叶轮设计极大地降低了 结盐后的清洗劳动强度；( 2 ) 输送液固两相介质时具有良好的无堵塞性能。此外， 较简单的过流部件结构也为其内部盐析两相流动的基础性研究创造了便利条件。 故本文选择该泵型作为手要研究对象。 泵内部流场结构决定了其赫析流动机理的独特性。如何建立合理的泵内盐析 流动的物理模型、数学模型等，这就需要对泵内盐析流场进行更深入的研究。因 此，本文将以传统的两相流体动力学理论为基础，结合晶体生长动力学及传热传 质等多学科知识，综合运用数值计算手段和p i v 、p d p a 等实验方法，对泵内盐 析两相流场进行较细致、全面的研究，获得两相流场的速度、脉动速度、颗靛粒 径、浓度分布及外部条件变化后盐祈流场的演化特性，分析盐析与内流场之间的 相互关系，以期掌握泵内盐析两相流的流动规律。 罐 第一章绪论 对泵内部盐析流动机理的研究意义在于：( 1 ) 为今后叶轮机械内部伴有盐析 的液固两相流动的研究打下基础、拓展思路、提供方法；( 2 ) 为丰富盐析两相流 动理论积累宝贵资料；( 3 ) 为叶轮机械水力设计、输送及相关装置的长期可靠运 行提供理论支持。 1 2 盐析两相流动的国内外研究现状 1 2 1 盐析两相流研究现状 盐析两相流动研究始于二十世纪五十年代，至今已取得了一定的研究成果。 1 、国外研究现状 对石油领域盐析现象的研究起步较早。前苏联学者对石油丌采中有机盐和无 机盐的盐析机理进行了深入研究，形成了一套理论及防结盐措施【1 l ；z a k i 、n a c l 等人开展了原油中盐分的测量工作，研究了盐分的含量与结盐对管道输送稳定性 的影响1 2 1 ；t i m o t h y 于2 0 0 1 年8 月发布的美国o a kr i d g e l 垂l 家重点实验室的研究报告 中阐述了管道堵塞的六种机理，其中有三种机理涉及具有盐析或化学反应的两相 流动【3 j o 而对盐析机理较为系统的研究是针对化工行业中的换热器内的结盐现象进 行的。最早且具有标志性的研究成果是1 9 7 9 年8 月在美国伦斯勒理工学院 ( r e n s s e l a e rp o l 叭e c h n i ci n s t i t u t e ) 举行的热交换器盐析国际会议上公布的，内容 包括各种形式的盐析现象( 化学沉淀、沸腾传热、化学反应、颗粒沉降等) 介绍、 盐析机理的实验方法研究、盐析腐蚀机理分析及众多防结盐措施的提出，虽然涉 及了流动条件对盐析的影响，但未深入研究两者的相互关系【4 l ；b o t t 对换热器内 有机盐工质在沸腾条件下的盐析机理进行了研究，认为温度差和介质过饱和度是 发生盐析的首要条件，并指出换热器表面的结盐机理非常复杂f 5 】；w a t k i n s o n 和 w i l s o n 对化学反应盐析研究进行了总结，提出了该类型盐析较通用的物理模型和 吸附机理，认为在主体溶液中，相间的传质系数直接影响了换热表面盐析层增长 速率【6 】；b a n s a l 、c h e n 等通过对硫酸钙盐析层热阻随运行时间变化的测定，分析 了盐析过程中晶体颗粒的沉积及吸附规律，得出结论认为在温差和过饱和度一定 的条件下，介质中盐析晶体颗粒的浓度决定了溶液的成核速率，从而间接影响到 3 江苏大学博士学位论文：盐析两相流理论及旋流泵内部流动的研究 盐析速率的大d 4 7 1 ；f o s t e r 、a u g u s t i n 和b o h n c t 将换热管内的流动分为三个区域， 即主流区、层流底层和吸附层，通过对相界面的表面自由能的测量，分析了吸附 层的吸附力对盐析晶体沉积的影响f 8 1 ：与此相似的还有德国学者s c h o l l 所进行的 研究，但他们着重于不同壁面粗糙度对盐析的影响，认为仅在诱导期内粗糙度对 盐析影响很大1 9 1 ；k a r a b e l a s 对换热器中的盐析过程研究趋势进行了预测，提出了 四种需要迫切解决的难题，首次将流体动力学因素与盐析进程之间的关系研究提 升到非常重要的地位【l o l 。 盐析过程也可以理解为溶液中晶体颗粒的成核、长大过程，而这些过程与流 动的关系问题，在晶体生长学科也有所涉及，其研究的成果有助于对盐析现象的 深入认识。女n p a m p l i n 在1 9 7 5 年的著作( ( c r y s t a lg r o w t h ) ) 中就专门列出一章，介 绍流体动力学对晶体生长过程的影响，并对层流、边界层、旋转流场中的晶体生 长问题作了详细分析，认为晶体生长与传动、传质的关系密切i l l 】。在近年来发表 的文献中，也有不少晶体生长学科的论文研究了流场结构对晶体成核、生长的影 响，为盐析两相流的研究提供了一些理论及方法，具有_ 定参考价值。女n t i a n 、 i z t o k 等研究了在层流及湍流状态下，晶体生长与过饱和度、温度的关系f 1 2 】； a n d r z e j 、r y s z a r d 等研究了流体流动及能量传递对提拉法生长晶体过程的影响， 并采用了流体力学商用软件f l u e n t 对晶体周围的流场、温度场进行了数值模拟， 真正将晶体生长学和流体力学知识进行了交叉【1 3 】；m a 、k h o o 等利用流场计算方 法研究了有科氏力存在对晶体生长的影响，这对泵内盐析流动的研究具有一定的 借鉴作用f 1 4 1 。 2 、国内研究现状 我国科技工作者对盐析或结盐问题也做了一定的研究工作，主要集中在化工 领域的催化装置分馏塔内，油田开采中油井防结盐，盐湖开采中的结盐等方面， 总结出外部流场中压力、温度、浓度、流态、固体壁面粗糙度等物理量与结盐的 某些关系。唐家俊介绍了大连石化公司三催化装置分馏塔结盐情况，对结盐现象 进行了分析，通过采取在线水沈措施基本解决了塔顶结盐问题【1 5 l ；陈荣杰等通过 油井结盐机理及影响冈素的分析，介绍了抑盐剂复合体系、固体抑盐器的应用等 几种防止结盐的工业措施【1 6 1 ；胡云峰对察尔汗盐湖卤水盐析的原因进行了分析， 提出控制卤水 n a + m g + 的浓度比值是防止盐析的有效途径【1 7 l ；马红钦研究了惰 4 第一章绪论 性固体颗粒清除和防止硅晶体盐析的方法，并提出了混合盐析机理【1 8 】；而这些研 究大都集中在运用物理、化学、机械等方法解决结盐问题方面。在换热器内因盐 析导致的结垢机理研究方面，邢晓凯以碳酸钙结垢过程为例，建立了控制结垢过 程的阻力关系式，并通过计算得到流速越大，过饱和度越小，结垢过程越易为表 面反应所控制等结论【1 9 1 ；杨传芳等人在区别结晶和结垢诱导期前提下，建立了碳 酸钙在加热表面非均相成核结垢诱导期的数学模型，得到了诱导期与过饱和度、 壁面温度、流体流速等之间的关系【2 0 1 。晶体生长与流动的关系在国内也有大量研 究，如崔海亮等在用批量法生长溶菌酶晶体的过程中，使用粒子图像测速技术 ( p ) 观测晶体生长固液体系的宏观速度场，并基于对流一扩散模型计算了有 效浓度边界层厚度及特征速度，揭示了晶体生长过程中的液固流动体系特性【2 1 l ； 张小平、钱宁根据流态化结晶过程的流体处于湍流运动的事实，将多相湍流理论 应用于晶体生长过程，建立了该过程的湍流传质动力学模型，研究表面，此模型 对扩散传质控制的晶体生长过程非常可靠【凋；宇慧平、金蔚青等将湍流模型模拟 及表面张力对流模型应用于晶体生长过程研究中，也有很好的借鉴作用【2 3 洲。 从2 0 0 4 年起，江苏大学杨敏官、贾卫东等人对盐析两相流动进行了系统的研 究，包括盐析流动理论、防结盐技术及防结盐装备的研发，取得了较多成果，具 体如下所述瞄o o l 。 在盐析流动理论研究方面，结合非均相成核理论、沉积一自由移去机理说及 研究对象的实际盐析过程，建立了符合实际又利于理论研究的物理模型，其中将 亚微晶核及由亚微晶核成长起来的盐析晶体颗粒作为颗粒相，糊状区域作为固 相，过饱和溶液作为流体相，并基于传统的两相流中的双流体理论，建立了三相 积分守恒方程，再转换为微观微分守恒方程，同时利用体积平均法得出三相间质 量、动量、能量交换率的积分表达式，并运用雷诺时均的方法得到其湍流控制方 程组，详细考察了盐析现象中的传质、传动、传热过程及内部流动结构。将p d p a 测量技术运用于管内盐析流动研究，提出盐析速率与过饱和浓度的密切关联性及 液相、颗粒相湍流流动特性等盐析流动理论，在此基础上认为盐析过程的实质就 是强制对流条件下伴有化学反应的液固两相( 或多相) 间的质量、动量、能量 传递过程，对盐析晶体生长的研究应考虑输运过程的约束作用。此理论的提出为 本文乃至今后盐析两相流动的研究打下了坚实的基础，也为开展防结盐技术及装 5 江苏大学博士学位论文：盐析两相流理论及旋流泵内部流动的研究 备的研发提供了理论支持，具有重要的指导意义。 防结盐技术研究方面，在大量的基础性实验研究基础上，提出管内多项防结 盐技术。如给出了管内流速、温度和延迟时问的相关性并提出控制延迟时间的临 界流速点；提出碳酸钠溶液盐析过程中“临界平均速度 的概念，并给出盐类溶 液输送币常状态时，不同流态、不同流速条件下，结盐与不结盐的临界点；材质 影响结盐速率，其原因为不同材质具有不同的表面活化能，提出防绿液( 主要成 分为碳酸钠) 结盐的管路材质选用方案，所选用的高密度聚乙烯p e 8 0 材质能有 效延缓结盐时间。在防结盐装备研发方面，以降低过饱和度等防结盐技术为基础， 研制了安全、可靠的防结盐阀门，为相关工业部门节约了生产成本，产生了可观 的经济效益。 1 2 2 叶轮机械内部盐析流动的研究现状 1 、国外研究现状 在叶轮机械领域，盐析两相流动的研究还处于起步阶段，且基本局限于盐析 对流体机械外特性影响的研究。如n i z a m u t d i n o v 、s e m a s h k o 研究了伴有化学反 应的盐析对泵外特性的影响【3 1 l ；f o r w a r d 、p e t e r 进行了结盐物质的增长降低叶片 机械性能的研究【3 2 】；s h i n i c h i r ok a w a s a k i 研究了各种盐类介质对输送用泵扬程及 汽蚀性能的影响【3 3 】；m e s e n z h n i k 、p r u t 研究了输送介质盐析对离心泵运行可靠 性的影响 3 4 1 ；l o p e z 等研究了水平多级离心泵在盐水处理装置中结盐与外特性性 能的关系【3 5 1 ；s a k r 运用有限元方法对泵输送海水时的叶轮进出口流动进行初步 计算【蛔。也有学者做过搅拌器叶轮对盐析晶体生长的影响，如k e n j is h i m i z u 和 t o s h i on o m u r a 等研究了三种不同的叶轮内硫酸钾晶体颗粒浓度的分布情况【3 7 l ； m a r e tl i i r i 、t u o m a sk o i r a n e n 等用粒数衡算模型模拟了盐析晶体与叶轮碰撞破碎 后引起的二次成核现象【3 8 1 。 2 、国内研究现状 国内对叶轮机械内部盐析及结盐问题研究的人员较少。周黎肠等人对输送易 结晶介质泵的密封进行了改造，基本解决了强结晶工况密封失效问题，但未涉及 泵内结副3 9 1 ；刘迎香等针对盐田油井普遍结盐严重现状，从改变泵内腔结构等方 面入手，设计出一种新型防盐抽油泵【删；江梅也通过泵结构设计提出了地下卤水 6 第一章绪论 采输卤设备的防结盐和防腐蚀的措施【4 。但这些研究都未涉及盐析与泵内部流场 之间的关系。 直至近年来，江苏大学杨敏官、王春林、刘栋、董祥等人通过对泵内盐析两 相流场的研究，提出了一系列有效的叶轮机械内部防结盐的技术，并进行了相关 防结盐装备的开发，具体成果如下所述 4 2 5 6 1 。 首先对普通化工离心泵输送盐类溶液时的性能进行了研究，发现在延迟阶段 j 离心泵性能基本稳定，而在晶体生长阶段，泵随运行时间加长，扬程下降，功率 增大且效率降低。内部流场研究方面，利用双流体模型，对泵内的盐析两相流场 进行了数值模拟，初步显示了泵内盐析两相流动的特征，并采用p i v 测试了离心 泵内的两相流场，进一步揭示了泵内盐析晶体颗粒的运动及浓度分布情况。利用 相同的方法，又对不同叶片出口安放角对离心泵内盐析流动的影响进行了研究， 得出选用小叶片出口角叶轮能起到延缓盐析的作用。最后将研究成果应用于实际 生产，对盐湖采输卤用泵的水力模型进行了改进，采用了半开式叶轮，结合淡水 缓释法，开发了一系列成功的输卤泵产品。 综上所述，由于各学科研究理论的加强、研究范围的扩展、研究手段的提高 以及工业生产的迫切需求，近几年来，对建立在多学科知识基础上的盐析流动理 论的研究已经取得了一定的突破性进展，研究思路、研究方法、研究内容都得到 了开拓和丰富，对盐析两相流动的认识也在逐步深化，但是对叶轮机械内部盐析 流动的研究目前仍处于初始阶段，分析原因主要在于对其研究的难度较大，主要 体现为：( 1 ) 叶轮机械本身结构及其内部流场复杂多样；( 2 ) 影响叶轮机械内部 盐析进程、盐析与流动关系的因素繁多；( 3 ) 缺乏相关研究成果，可供参考资料 不足。 1 3 叶轮机械内部盐析两相流动的研究方法 盐析两相流动的研究以传统的液固两相流体动力学为基础，但从目前的研究 来看，液固两相流中固相特征的多样化在很大程度上制约着液固两相流动理论的 深层次发展，再与叶轮机械内部流动结合起来，则更为困难。通常叶轮机械内部 流道形状复杂，叶轮旋转产生的科氏力、离心力等使得叶轮内部流动也异常复杂， 常伴有流动分离、二次流、尾流等结构，而通过现有的叶轮机械内流理论只能局 7 江苏大学博士学位论文：盐析两相流理论及旋流泵内部流动的研究 限于针对比较简单的物理模型进行分析，且基于简化后的模型建立起来的各种数 学模型也很难获得理论解析解1 5 确1 1 。因此理论研究方法由于自身的不成熟性很难 应用于叶轮机械内部盐析两相流动的研究中，取而代之的是近些年来得到较快发 展的各种数值计算和实验观测方法，采用这些方法可以获得更为直观、丰富、真 实、可靠的信息，加深对研究对象本质的认识与理解【6 2 】。下文简述可用于叶轮机 械内部盐析两相流动的数值计算和实验研究方法，在此基础上提出本文所采用的 研究方法。 1 3 1 数值计算方法 1 、两相流数值模拟基本方法 经过过去三四十年的发展，国内外学者为解决具体的两相( 或多相) 流动问 题也提出了多种模型和方法。车得福等就根据各种方法所依赖的数学和物理原理 不同，将目前数值模拟方法归纳为如下三个大类【6 3 】： ( 1 ) 经典的连续介质力学方法。这种方法从宏观层次上来研究两相流动的 迁移规律，由建立在连续介质假定基础上的n a v i e r - s t o k e s 方程组控制。针对不 同的具体问题，采用这种方法的模型又可分为欧拉一拉格朗同方法和欧拉一欧拉 方法两大类。如颗粒动力学模型、颗粒群轨道模型等就属于前者范畴，而现今得 到广泛应用的均相模型、分相模型、双流体模型则属于后者范畴i 删。 ( 2 ) 分子动力学模拟方法。这种方法是建立在统计分子动力学基础上的， 属于微观层次，以典型的蒙特卡洛( m o n t ec a d o ) 方法为代表。此方法较多地应 用于晶体生长过程的模拟研究【6 5 石7 】，直至最近十余年在两相流动计算中得到迅速 发展。但这种方法由于需要对计算区域每一个分子进行力学行为的描述和计算， 所消耗的计算机内存等资源较大，因此目前还无法应用于复杂流场的计算中去。 ( 3 ) 介观层次上的模拟方法。这种方法介于宏观与微观之间，是建立在分 子运动理论基础上的一类简化的动力学模型，即格子b o l t z m a n n 方法【6 8 , 6 9 l 。采用 这种方法能够很好地描述液一固两相流的各相分子间或颗粒间相互作用的微观 特性，但这种方法对软件和硬件要求都很高，目前难以应用于叶轮机械中的两相 流动研究。 从近年来相关的文献检索来看，目前大多数的两相流流场计算都还是采用第 8 第一章绪论 一种方法，特别是对于工程应用问题的研究，相比较而言这种方法的计算结果及 精度已经完全可以满足工程需求。 在两相湍流的数值模拟方面，与单相流类似，目i j 主要有直接数值模拟、大 涡模拟、离散涡模拟、r e y n o l d s 时均法等1 7 0 - 7 6 l 。前三种均属于微观层次的模拟方 法，计算量较大，仅限于槽道流、剪切流