（测试计量技术及仪器专业论文）碟式分离机转鼓内流场研究.pdf

硕十学位论文 摘要 滴灌、喷灌等节水灌溉技术是世界第二次绿色革命的中心。在沿黄灌区推 广滴、喷灌技术，必需先解决黄河水的高泥沙问题，防止其堵塞滴头和喷管；应 用碟式分离机对黄河水进行泥沙澄清分离，可解决黄河水高泥沙的问题。但迄 今为止，对碟式分离机的设计和特性的研究，特别是对碟式分离机的内部流场的 研究，远达不到普通离心机的研究水平。近年，计算机仿真技术的迅速发展，为 机械内流场的研究提供了有效工具。借此技术可快速研究碟式分离机的内部流 场，探讨碟片内部流动的规律，继而推进相关泥沙分离的研究，设计出更加适合 黄河水泥沙分离的碟式分离机，并为其他流体机械的设计及流场研究提供参考。 本文借助流体分析软件f 1 u e n t ，以固一液两相流为介质，依据混合物 多相流模型及修正七一占湍流方程，对碟式分离机内部流场进行数值模拟， 得到了不同碟片参数和不同转鼓转速情况下，转鼓内速度、压力分布和流 线情况，通过分析速度矢量、压力流线云图和内部流线图，研究了内流场 在转鼓壁及碟片组合体影响下的流场运动情况；依据监测不同参数模型所 得流场出口处的清液流量和清液含固量，采用正交试验设计提出具有最优 分离效果的模型参数。 此外，本文基于快速发展的p i v 流场测量技术，采用非接触测量方法 设计碟式分离机转鼓内流场的二维p i v 测速系统，选定相关设备和软件， 分析测量转鼓内流场真实运动情况的可行性，针对其特殊的工作状况，设 计出测试方法，并采用p i v v i e w 图像处理软件验证流场图像中的速度处理 情况，为下一步建立实际的三维p i v 内流场测量系统提供试验参考。 关键词：碟式分离机；固液两相流；数值计算；c f d ； p i v i i i 碟式分离机转鼓内流场研究 a b s t r a c t ) r i pi r r i g a t i o n ，s p r i n k l e ri r r i g a t i o na n do t h e rw a t e r s a v i n gi r r i g a t i o nt e c h n o l o g y i so n eo ft h ew o r l dt h es e c o n dt i m et h ec e n t e ro ft h eg r e e nr e v o l u t i o n a l o n gt h e y b l l o wr i v e ri r r i g a t i o na r e ai nt h ep r o m o t i o no fd r i p ，s p r i n k l e ri r r i g a t i o nt e c h n o l o g y ， m u s tb er e s o l v e db e f o r et h eh i g hw a t e ro ft h ey e l l o wr i v e rs i l tp r o b l e m ，t op r e v e n t t h ee m i t t e ra n dt h en o z z l ep l u g ， a p p l i c a t i o nd i s cs e p a r a t o rs e d i m e n to ft h ey b l l o w r i v e rw a t e rt oc l a r i f yt h es e p a r a t i o no ft h ey e u o wr i v e rw a t e rt oa d d r e s st h ep r o b l e m o fh i g hs e d i m e n t ；h o w e v e r ，o nd i s cs e p a r a t o rd e s i g na n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t u d y ， e s p e c i a l l yo nd i s cs e p a r a t o ri n t e r n a ln o wn e l do fr e s e a r c h ，f a rl e s st h a nt h el e v e lo f o r d i n a r yc e n t r i f h g e r e s e a r c h i nr e c e n t y e a r s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n o ft h er a p i d d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yf o rt h em e c h a n i c a ls t u d yo ff l o wf i e l dp r o v i d e sa n e f i f e c t i v et o o l ，t a k et h i st e c h n o l o g yt oq u i c k l yr e s e a r c hd i s cs e p a r a t o ri n t e r n a ln o w n e l dt oe x p l o r et h el a wo ft h en o wi nt h ed i s k ，a n dt h e nt op r o m o t et h es e p a r a t i o no f s e d i m e n t r e l a t e dr e s e a r c h ，d e s i g nm o r es u i t a b l ef o r t h es e p a r a t i o no ft h ey e u o wr i v e r s a n dc e m e n ts e p a r a t o rd i s c ，a n df o ro t h e rf l u i dm e c h a n i c a ld e s i g na n dp r o v i d ea r e f b r e n c en o wf i e l ds t u d i e s a r t i c l e sw i t hn u i da n a l y s i ss o f = 七w a r ef l u e n t ，f o rm e d i at os o l i d l i q u i dt w o p h a s e n o w ，b a s e do ns o f t w a r ep r o v i d e db yam i x t u r eo fm u l t i - p h a s en o wm o d e l ，m o d i f i e d 七一s t u r b u l e n c ee q u a t i o n ，d i s cs e p a r a t o ro nt h ei n t e m a ln o wf i e l dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nt oo b t a i nt h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r sa n dd i f f b r e n td i s ks p e e dd r u m ，t h ed r u m w i t ht h es p e e d ，p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n dn o wl i n e s ，b ya n a l y z i n gt h ev e l o c i t yv e c t o r ， p r e s s u r en o wl i n ei m a g ea n dt h ei n t e m a ln o wc h a nt os t u d yt h en o w f i e l dw a l li nt h e d r u ma n dd i s kc o m b i n a t i o n so ft h en o wf i e l du n d e rt h ei n n u e n c eo fm o v e m e n t ，m o d e l b a s e do nd i f f e r e n tp a r a m e t e r st om o n i t o rt h ef l o wf i e l df r o mt h ee x i to ft h ec l e a r l i q u i dc l e a rl i q u i dn o wa n ds o l i dv o l u m e ，t h eu s eo fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n w i t ht h eo p t i m a ls e p a r a t i o no ft h em o d e lp a r a m e t e r s 。 i n a d d i t i o n ， a r t i c l e sb a s e do nt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ep i vf l o wf i e l d m e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s ，t h eu s eo fn o n c o n t a c tm e a s u r e m e n td e s i g nd i s cs e p a r a t o r d r u mo ft h et w o - d i m e n s i o n a lp i vf l o wf i e l ds p e e dm e a s u r e m e n ts y s t e m ，s e l e c t i o no f r e l a t e de q u i p m e n ta n ds o f = 七w a r e ， a n a l y s i so fn o wf i e l dm e a s u r e m e n td r u mo ft h e f e a s i b i l i t yo ft h er e a lm o v e m e n t ，i nv i e wo ft h e i rs p e c i a lw o r k i n gc o n d i t i o n s ，d e s i g n e d t ot e s tm e t h o d s ，a n du s e dp i v v i e wi m a g ep r o c e s s i n gs o f t w a r et ov e r i f yf l u i di ni m a g e p r o c e s s i n gc o n d i t i o n s ，f 6 rt h en e x ts t e pt oe s t a b l i s ht h r e e - d i m e n s i o n a l p i v 硕十学何论文 m e a s u r e m e n ts y s t e mp r o v i d e sar e f e r e n c et e s ti nt h ea c t u a ln u i d k e yw o r d s ： d i s cs e p a r a t o r ； s o l i d l i q u i dt w o p h a s en u i d ， n u m e r i c a l c a l c u l a t i o n ；c f d ： p i v v 碟式分离机转鼓内流场研究 插图索引 图1 1 碟式分离机的工作原理图6 图3 1 碟式离心机结构示意图1 8 图3 2 碟片下表面颗粒受力示意图一2 1 表3 1 计算模型参数列表2 3 图3 3 整体转鼓计算模型2 4 图3 4 碟片间计算模型及其网格化2 5 图3 5 出口总压图和进出口质量流量2 5 图4 1c f d 数值模拟流程图2 6 表4 1 边界类型对应关系表2 9 图4 2 操作环境选择一3 2 图4 3 边界条件设置3 3 图4 4 转鼓壁边界条件的设置3 4 图4 5 残差参数设置3 5 图4 6 计算收敛过程曲线一3 5 图4 7 转速3 0 0 0 r m i n 时内部速度及出口沙粒含量图3 6 图4 8 转速6 0 0 0 r m i n 时内部速度及出口沙粒含量图3 6 图4 9 转速9 0 0 0 r m i n 时内部速度及出口沙粒含量图3 7 图4 1 0t e c p l o t1 0 中碟片间流场矢量图3 8 图4 1 1 转速3 0 0 0 r m i n 时的碟片间隙内部速度线图3 8 图4 1 2 转速6 0 0 0 m i n 时碟片间隙内部速度图3 9 图4 1 3 转速9 0 0 0 r m i n 时碟片间隙内部速度图3 9 图4 1 4 层流速度分布图4 0 图4 1 5 转速6 0 0 0 m i n 时碟片间隙内部速度分布图4 0 图4 1 6 监测器参数设置框4 2 图4 1 7 表面监测参数设置框4 2 表4 2 厶1 3 4 ) 正交表4 3 表4 3 各种组合试验结果4 3 图4 1 8 转速对清液及含固量影响曲线4 4 图4 1 9 锥角对清液及含固量影响曲线4 4 图4 2 0 碟片间隙对清液及含固量影响曲线4 4 图5 1 标准的p i v 系统示意图4 7 图5 2n d ：y a g 激光器4 8 硕十学位论文 表5 1 n d ：y a g 激光器主要性能表4 8 图5 3片光源的光学元件4 9 图5 4 硬件结构图5 0 图5 5同步脉冲发生器软件流程5 1 图5 6同步器控制各部件工作时序图一5 1 图5 7内流场p i v 测速系统原理图5 3 图5 8p i v v i e w 软件界面及t e c p l o t1 0 处理图片结果5 4 v i i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果 由本人承担。 作者签名：弓长g 、 日期：溺乜7 年6 月爷日 i 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，即：学 校有权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。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：弓够送、 导师签名： 囝 日期：砷年 日期：孰哆年 彳月9日 6 月牛日 硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 水是生态系统中最重要的因素，也是生物能否生存与发展的标志，水对于一 个国家的重要性不言而喻。据统计我国水资源总量约为2 8 万亿m 3 ，人均水 资源量仅为2 2 2 0 m 3 ，预测到2 0 3 0 年人口突破1 6 亿时，人均水资源更会降到 1 7 6 0 m 3 以下，不到世界人均水平的1 4 ，并且由于我国水资源时空分布极不均 匀，占国土面积6 0 以上的长江以北地区拥有的水资源不足全国总量的l 5 ，这 一情况使人均水资源占有量更低于国际公认最低标准1 0 7 0 m 3 ，因此，我国已被 联合国列为全球7 3 个贫水国之一【i 】。 农业发展推动着历史的进程也决定着社会的繁荣。我国是个古老的农业大 国，有上千年的灌溉历史，对总体水资源的利用中，农业生产用水占其中的7 3 ， 在这之中，灌溉用水占农业生产用水的6 6 。包括甘肃、陕西、宁夏、山西和内 蒙古等省的沿黄灌区，年降水量仅在2 0 0 咖4 0 0 i i l i n 之间，其中7 0 8 0 又集 中在7 9 月份，且多为暴雨，对土壤入渗补给的有效降水很少，无法及时补充 灌溉用水，以致十年九旱，严重影响上述地区农作物的正常生长。水资源严重短 缺成为上述地区生态建设的“拦路虎 ，同时也是制约其经济发展的“瓶颈 ，解 决好农业用水问题，不仅关系地方国民经济的健康有序发展，也关系到全国总体 生态环境建设，关系到“西部大开发战略 能否顺利进行的战略性问题。 当前，水资源短缺问题已成为不争的事实，但是传统农业灌溉仍然普遍采用 大水淹灌模式，对水资源的利用率十分低下( 灌溉水利用系数仅为0 3 5 左右) ， 而且大水淹灌容易造成土地的盐碱化，造成地下水位下降，致使生态环境恶性循 环，因此，必须改变传统淹灌的农田用水方式。 传统农业灌溉对水资源的浪费形势异常严峻，但具有“世界第二次绿色革命 美誉的节水灌溉技术，如滴灌，喷灌等却具有较高的综合效益：其节水5 0 6 0 ；省电4 0 5 0 ；对农业增产可达3 0 左右，是解决水资源利用问题 的有效手段，因此在缺水地区特别是陕西、甘肃、山西沿黄灌区发展节水灌 溉成为农业发展的必由之路【1 】。 采用滴灌技术可使灌溉水的利用系数提高到o 9 0 o 9 5 。但是，沿黄灌区 主要的农业灌溉水源一黄河水具有很高的泥沙含量( 汛期兰州段黄河水体积比含 沙量达1 4 左右) ，且其中泥沙的粒径较大( 兰州段河水大于滴灌临界直径5 0 um 的粒子含量约为2 9 ) ，极易造成滴灌主要部件渗水毛细管道和滴头的堵 碟式分离机转鼓内流场研究 塞，故不能直接作为滴灌用水，需要先将其中大于滴灌临界直径【2 l 的颗粒分离出 来。 黄河水沙的分离操作属于对固液两相的分离，通常对相间的分离采用机械 分离方法来进行。由于分离后的产物用于滴灌，使剩余沙粒必须能顺利通过滴灌 滴头，且用水者为广大低收入的农民，因此，要求分离机具有高分离效果而且使 用成本较低。近年来随着国家对节能技术关注度的增加，碟式分离机这种高效分 离机械被引入水沙分离，对碟式分离机的相关研究也逐渐增多，从机械故障诊断 分析到结构强度和转鼓运动平衡计算，研究领域拓宽，研究内容逐渐深入，但是 对碟式分离机转鼓内流场研究涉及较少，碟式分离机的设计试验方法也相对落 一 j 口o 1 2 课题研究目的 根据两相流理论和c f d 理论，基于f l u e n t 软件模拟仿真不同参数碟式分离 机转鼓内的流场，建立起最有利于泥沙分离的机构模型，依据内流场速度、压力 及出口液流中的含固量情况，优化各项结构和工艺参数使离心分离达到最佳化， 从而为样机的改进提供优化参数和理论探讨，同时设计适合于碟式分离机内流场 的二维粒子图像测速系统，为下一步建立三维测速系统研究内流场的瞬时各参数 进行理论探讨，并研发其他类似产品的提供有益的借鉴。 1 3 国内外研究现状及发展趋势 1 3 1 两相流流场模型研究 目前两相流动研究中，特别是分析连续相中的固相运动时，通常采用拉格朗 日方法和欧拉方法【3 l ，这两类方法各有优缺点，如对颗粒湍流扩散问题，前者无 法考虑，而后者会出现伪扩散，两种两相流动的预测方法都必须建立准确的流动 模型才能成功。常用的流动模型有单流体模型、颗粒轨道模型、双流体模型等【3 - 4 】 这些模型都从不同的角度对多相流场的真实过程做了近似和简化。 1 单流体模型：单流体模型与单相流体的求解方法几乎相同，只是增加了 颗粒相连续方程，并在方程中增加了颗粒源项，但是没有考虑颗粒间的相互作用， 如颗粒碰撞会引起附加的颗粒粘性、扩散和热传导【5 1 等。迄今为止，单流体模型 很少用来解决实际工程问题，但是由于其模型简单，常用于两相流的预报。 2 颗粒轨道模型：包括单颗粒动力学和无滑移模型及小滑移稀疏颗粒拟流 体模型，前者进行了比较大的简化，由颗粒的浓度，颗粒尺寸，颗粒与流体滑移 2 硕十学位论文 量等参数来决定其是否严重失真；后者只有颗粒浓度较小，以及颗粒运动只是由 流体夹带运动的情况下才接近实际。颗粒拟流体适用于颗粒有足够浓度的情况， 即流场中微元体，其尺寸远小于系统的几何尺寸而又远大于颗粒尺寸，并且在流 场微元内含有足够的颗粒数。颗粒轨道模型从理论上讲是比较真实地反映了两相 流动过程，但在实际计算中，却存在弱点，即它每次计算的仅是一个颗粒的轨迹， 无法描述真个流场状态，特别是对复杂流场和小尺寸湍流涡流场做数值模拟时， 蒋漏掉许多重要的物理现象和过程，因此对流场计算，特别是复杂流场和高湍流 流场，不采用颗粒轨道模型【4 1 。 3 多流体模型：多相流与单相流动的主要差别在于，多相流及两相流动模拟 考虑了大滑移和颗粒扩散，颗粒被看成欧拉坐标中的拟流体，充分考虑了耦合作 用，即颗粒质量、动量及能量的湍流扩散等相互作用，包括粒子不影响流场速度 的单相耦合和粒子影响流场速度的双相耦合。两相流场中固粒和流体的这种相互 耦合程度主要依赖于流动雷诺数、固一液混合浓度、气一液混合浓度、固粒特性、 流场特性以及湍流与固粒的尺度等，在早期的数值分析模型中，单相耦合假定常 被人们采用，充分考虑耦合机理，使对颗粒流动的分析更困难，所考虑的内容更 加复杂。 1 3 2 流体机械内流场研究 工农业生产应用大量种类繁多的流体机械，对国家各项产业发展有重要贡 献，鉴于流体机械的重要作用，国内外对其的设计研究很多，对流体机械内流场 研究重视程度也日渐提高，流体机械内部流场测量技术也有了较大的发展，推动 了流体机械性能的提高，从早期的通过多孔探针测量内流场的压力速度等，到如 今伴随计算机技术高速发展下的流动显示、图像处理技术和高速摄影机等提供流 场的全方位瞬态参数【5 - 6 1 ，这些现代流场研究方式对精确测定流场，改进流体机 械性能的设计，提高流体机械工作效率，起到了巨大的推动作用。采用高速摄影 和图像处理技术，对离心泵半开式叶轮内固液两相流进行图像测量，通过沿叶轮 轴向选择的3 个测量断面，对粒子运动轨迹进行分析研究；分别对不同工况下不 同质量粒子在叶道内的分布情况进行试验研究，探索不同浓度、粒径、重度对泵 性能的影响，得到粒子运动轨迹随水泵运行工况的变化曲线，用来改进离心泵的 设计。张维聚等研究了普通离心泵输送液固混合物时的流场特性，得出扬程和效 率随固体浓度颗粒浓度增加而下降的结果，为离心泵的实际使用提供指导；r o e o 等对多台离心式渣浆泵实验研究，表明颗粒浓度与大小对泵性能曲线的影响是泵 结构的函数，利用一维近似方法，结合实验为泵的设计和选型提供了一定的依据。 兰州理工大学李文广利用l d v ( 激光多普勒测速仪) 在最优工况和小流量工况下 3 碟式分离机转鼓内流场研究 测量了单级悬臂蜗壳离心泵输送水时蜗壳内的非定常流动，为这种机械的进一步 改进提供理论依据。 1 ) 流场c f d 仿真研究 随着计算机技术的发展，以数值计算为基础的流体仿真有较快发展，进步， 出现了越来越多的流场仿真软件，现在用得比较多的是f l u e n t 、c f x t a s c f l o w ， c f d e s i g n 等软件。f l u e n t 软件和c f d e s i g n 软件都是现在计算流体流场最流行的 软件，已经应用于流体机械清水模拟，并能够与实验结合，反映其内部流动特性。 其中f l u e n t 软件提供了多种计算两相流的方法，例如v o f 方法、c a v i t a t i o n 方法 等。v o f 方法称为体积函数法，v o f 中首先定义一个基相，两相之间相互不发生能 量交换，通过计算每一个时间步下，各个网格单元中的体积函数，来确定该网格中 另一相的比例，然后通过界面重构或者一些其它的方法，来确定此单元网格中两 相交界面的位置。f l u e n t 软件现已被用于模拟离心泵单相流体流场，王彦辉等用 f l u e n t 软件采用标准的七一s 湍流模型对离心泵全流场进行了三维数值计算，得 到良好的计算结果【7 1 ；江苏大学杨敏官等也利用此软件对叶轮内部不可压液固两 相流动进行了数值模拟，获得了叶轮内的相对速度分布、压力分布以及固相浓度 分布，为离心泵叶轮内液固两相流流态的深入理解起推动作用。此外，国外有些 水力机械制造厂利用t a s c f l o w 软件计算颗粒运动轨迹，来预测了泥沙对流体机器 的磨损。因此，采用c f d 软件，通过机械内两相流场来改进机械结构设计，提高 性能，成为一种行之有效的方法。 2 ) 流场p i v 测速研究 p i v ( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) 测速是近二十年发展起来的一种瞬时、 全场的现代化流场测试手段。它突破了空间单点测量技术的局限，能进行二维和 三维全场瞬时速度测量，对流场干扰小，并可以获得流动的瞬时速度场、脉动速 度场、涡量场和雷诺应力分布等1 6 】。p i v 技术非常适用于研究涡流、湍流等复杂 的流动结构，这是其他单点测量技术难以或无法做到的。同时，现在p i v 系统还 具备了与单点测量仪器( 如激光多普勒测速计等) 相当空间分辨率，即使仅限于二 维测量，p i v 技术也是一种详尽的研究复杂流动的定量工具。因此，作为研究各 种复杂流场的一种基本手段，从定常流动到非定常流动、低速流动到高速流动、 单相流动到多相流动等己经在各行各业的流场测量中，p i v 技术被广泛应用。 近年来p i v 在流体机械流场测试方面的应用和研究较为广泛，北京石油化工 学院的戴静君等对三种高环流系数叶片叶型和五种相对节距的涡轮叶栅，采用粒 子成像测试技术( p i v ) 进行内流场试验研究，研究获得了叶栅内s l i i l 流面的全流 场流动信息，并采用拓扑图论原理经计算机进行图像处理，获得s l m 流面的速度 矢量场和漩度场，对所获得的叶栅内流场分析成果表明，利用p i v 技术来研究内 流场方法是切实可行，且所得数据准确，其研究结果应用于对涡轮叶型的设计改 4 硕十学位论文 进：王希麟等人在单相p t v p i v 研究基础上，研究了液固两相流场粒子成像图像 数字测速技术。首次用p t v 技术得到直槽道中液固两相流场二维瞬时全场两相流 速分布。初步探讨了两相p t v p i v 技术中与单相p t v p i v 测速技术的关键不同之 处、提出p ，r v p i v 两相测速采样的两相相容性准则，为深入研究两相流场粒子成 像测速技术奠定了基础。国外，t u l o b r y a n s t o n c r o s s 等使用p i v 技术进行了发 动机多级跨音速涡轮的测量；p a o n e 等用二维p i v 对离心泵叶片间平面进行测试， 得到三种流量工况下离心泵的无叶扩压器内径向速度和切向速度值，并与l d v 测 试结果做比较分析，为离心泵叶型改进提供参考。上海交通大学的杨华等人和扬 州大学的刘超等人将二维数字式p i v 系统成功地应用于清水离心泵试实验台，对 一改型后的离心泵转轮内的瞬态流场进行成功的测量，首次成功的获得水泵在不 同工况下的全叶槽内的瞬态流场，测量结果充分验证了离心泵转轮内部流场的瞬 态结构和非定常性。 上海交通大学的刘应征等人使用p 技术试验测量旋转流速度场，从p 速 度场测量技术的工作原理出发，分析了复杂旋转流动子午面上，速度场测量中的 双曝光时间间隔，示踪粒子的选取问题，得到了封闭圆柱空腔内，旋转流动子午 面上的速度分布，从他们的测量结果可以清楚的观测到随雷诺数的逐步增加，旋 转流动流态的变化以及漩涡破裂现象的出现、发展以及消失的过程。大连理工大 学海岸和近海工程国家重点实验室的孙鹤泉详细阐述了p 系统结构与互相关 原理，不但提供了单相流试验中超声测速仪与粒子图像测速仪的对比结果，而且 提供了桩基码头模型的涡流场分布。 华中科技大学的谢俊龙，吴克启等利用对开式前缘弯掠流风扇进行的p 实验，捕捉到了开式轴流风扇的叶尖涡。实验结果表明，叶尖涡产生于叶顶前缘 的吸力面，其涡核沿一条与旋转方向相反的斜线延伸，一直到转子下游出口。p i v 实验数据和c f d 内流计算结果吻合良好，以此为改善风扇性能，并为进一步认 识其内流机制提供了可靠的实验依据。 浙江大学着重进行流化床和循环流化床中，气固两相流动粒子图像可视化研 究，指明p 技术在循环流化床气固两相流体特性研究中具有很好的应用前景。 3 ) 碟式分离机研究 碟式分离机作为一种高效的分离机械，可以完成两种操作：液固分离即低 浓度悬浮液的分离，称澄清操作；液液或液液固分离即乳浊液的分离，称分离 操作。碟式分离机以其结构紧凑，占地面积小，生产能力大等特点【7 】，因而在化 工、医药、轻工、食品、生物工程以及交通运输部门都获得广泛应用。近年来由 于高效节能农业的需要，碟式分离机逐渐被应用于农业生产特别是对高含沙水源 的泥沙分离，兰州理工大学孙步功等研究设计了专用于黄河水泥沙的碟式分离 机，研究各个参数对分离效果的影响【8 】；浙江工业大学顾巧祥，贾高顺等也借助 碟式分离机转鼓内流场矽f 究 于a n s y s 大型商用软件对碟式分离机的转鼓零件进行了二维和三维有限元应力 分析研究，其进行二维分析过程中，针对碟式分离机的实际工作情况，采用软件中 的接触单元模块对转鼓零件作整体分析，避免了因单独计算每个零件的应力而带 来的误差；南京化工职业技术学院濮伟分析了碟式分离机重液出口影响因素及参 数关系图。 1 4 课题的研究内容与关键性问题 1 4 1 课题研究内容 碟式分离机是现代工业中应用较为广泛的分离设备，图1 1 是该分离设备 的核心部件转鼓分离原理图【9 1 。 晨i 雾城乳溲旋 量域一琏分离 务糠_ i 童分冀 垂向心爱 图1 1 碟式分离机的工作原理图 当具有一定压力和流速的两种不同重度液体的混合液( 或两种互不相溶的液 体的混合液) 进入离心分离机，由于离心分离机的碟片组高速旋转，混合液进 入碟片组间隙后，也被带着高速旋转，具有离心作用力，此时两种不同重度液体 因重度不同而使离心沉降速度产生差异，在碟片间出现了不同的情况：重度大的 液体获得的离心沉降速度大于后续液体的流速，具有向外运动趋势，从碟片间的 隙道内向外运动，并连续向鼓壁沉降；重度小的液体获得的离心沉降【9 l 速度小于 后续液体的流速，则在后续液体的推动下被迫向轴心方向流动，移动至转鼓中心 的进液管周围，并连续被排出。这样，两种不同重度液体就在碟片组内流动的过 程中被分开。 课题主要研究以下内容： 1 基于g 砌b i t 软件建立不同参数的碟式分离机转鼓模型，通过计算转鼓内 流流场，分析选择最有利于泥沙分离的参数模型。 6 硕士学何论文 2 由于固一液两相流流体在碟片间流动情况及固体粒子在碟片问运动情况 相当复杂，不仅受到离心加速度的影响，同时还受到哥氏加速度及液体粘滞阻力 等的影响，仅以碟式分离机内的转鼓碟片两碟片间的流场作为研究对象，建立碟 片间隙流场模型，基于f l u e n t 软件计算验证，优选出具有最佳分离结果的模型。 3 针对碟式分离机内流场流速分析设计非接触式p i v 测速系统的可行性，并 通过实验研究验证。 1 4 2 课题研究关键问题 1 转鼓结构复杂，壁面与碟片都对流场有巨大的影响，理论分析内部存在着 湍流、层流等复杂的流动现象，以往由于研究手段的不足，难以对内部流场进行 全面的分析，因此碟式分离机的设计中流场研究存在不足，通过分析内流场状态 可进一步改善黄河水泥沙碟式分离机设计分离效果。 2 非接触时测量转鼓内流场，采用合适的理论及测量设备是得到准确内流场 参数的关键。 1 4 3 课题创新点 本课题的创新点在于： 1 依据碟式分离机转鼓内流场运动情况，提出对黄河水有最佳分离效果的设 计模型。 2 设计对碟式分离机转鼓内旋转流场进行测量的p i v 测速系统。 7 碟式分离机转鼓内流场研究 第2 章流体力学基本方程及处理方法 2 1 计算流体力学基本方程 流体动力学的基本控制方程连续性方程、动量方程和能量方程。这三个 物理基本定理在流体动力学中的数学形式是基于： 1 质量守恒定理 2 动量守恒定理( 又称牛顿第二定律) ，即f = m 口 3 能量守恒定理 2 1 1 质量守恒方程 任何流动问题都必须满足质量守恒定理【1 0 1 。在有限控制体中，质量守恒意 味着： 单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的 净质量，按照这一定律，可以得出质量守恒方程： 挈+ 掣+ 必+ 判：o ( 2 1 ) 研苏却七 引入矢量符号旃1 ，( 口) = 加，苏+ 加y 砂+ 加：如，式( 2 1 ) 写成： 譬+ 挑沏) ：o a ”7 ( 2 2 ) 其中p 为密度，t 为时间，u 是速度矢量，材、v 和w 是速度矢量u 在x 、 y 和z 方向的分量。若流体不可压，密度p 为常数相应的方程变为： 呈+ 宴+ 孚：o ( 2 3 ) 良却瑟 若流动处于稳态，则密度p 不随时间变化，式( 2 1 ) 变为： 掣+ 掣+ 掣：o ( 2 4 ) 叙加如 2 1 2 动量守恒方程 8 坝十7 何论又 动量守恒方程表述为微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在 该微元体上的各种力之和，任何流体系统必须满足的动量守恒定律。按照该定律 可导出x ，y 和z 方向的动量守恒方程： 掣+ v ) ：一罢+ 冬+ 孥+ 冬+ 矶 夙 。7 玉叙加瑟 1 掣冉) ：一罢+ 冬+ 孥+ 孥+ 矾 ( 2 5 ) 夙 ”7 却 苏 却 如 ， 掣冉) ：一罢+ 冬+ 冬+ 冬+ 矿 执 、 。8 za x如a z “2 式( 2 5 ) 中，p 是流体微元体上的压力，f 。，f 印和彳。等是因分子粘性作用 而产生在微元体表面上的粘性f 的分量。 式( 2 5 ) 是任何类型的流体，包括非牛顿流体( 对于一个流体，它的切应 力正比于应力的时间变化率，如速度梯度，这样的流体称为牛顿流体。否则，称 为非牛顿流体) 均成立的动量守恒方程，对于牛顿流体粘性应力f 与流体的变形 率成比例，得如下关系式： f 勰= 旯( v y ) 伽尝；= 免矿) 协善； 吃= 见+ 2 警；= = ( 罢+ 考) ； 心6 ， f 锄伽1f 挑a “1 可嚣叫l 西+ 瓦j ；钉砂叫i 万+ 瓦j 。 上式( 2 6 ) 中，为分子粘性系数，名为第二粘性系数【1 1 2 1 ，一般可设： 五一詈 ( 2 7 ) 将( 2 6 ) 式代入( 2 5 ) 式，得到纳维一斯托克斯( n s ) 的完整方程组： 掣+ 掣+ 掣+ 粤竽= 一塞+ 丢( 胛y + 2 罢) 西 苏却龙舐苏i。缸j + 号卜( 昙+ 雾) + 量卜( 暑+ 豢) + 矶 9 掣+ 掣+ 等+ 掣2 一簪+ 剀 眩8 ， 西舐 却 瑟却苏l 。i 锄 却jl + 导豺取茅+ 讣矾 掣+ 掣+ 掣+ 掣= 一瓣胎+ 尝) 劣舐 勿 瑟瑟 缸i 。la z苏川 + 号l ( 爹+ 塞) l + 昙( 胛矿+ 2 警) + 阢 p i 等+ 疋等+ 蠢等+ 远誓i = 一警+ 胛远 + 生型+ 生型 挑a z i 臼y o z d 等+ 疋等+ 蠢等+ 远鲁l _ _ 爹+ 胛瓦 + 出+ 刨+ 由 ? 一誓+ 近誓+ 瓦誓+ 远誓i ：一譬+ 胛远 纠i 枷x 言栅y 苟栅：il 一蔷叫z + 生型+ 生型 叙 砂 + 倒 ( 2 9 ) 式中v = 毒+ 旁+ 参称为拉普拉斯算子。 以上三方程称为是均纳维一斯托克斯方程，它是其它方程的基础。再考虑湍动 耗散率s 和湍动能七可得标准的七一占方程【1 1 】： 1 0 掣 + 6 k = 鸬 水塞) 2 + ( 考) 2 + ( 謇) 2 + ( 考+ 塞) 2 + ( 老+ 塞) 2 + ( 塞+ 考 2 ) ( 2 1 。) 式中g r 销( 篝+ 等 考 本课题流场中由于不包含热交换过程，所以不在考虑能量守恒。 2 2 湍流计算模型及其控制方程 采用标准七一s 模型求解流动及换热i 司题时，控制方程包括连续性方程、动 量方程、能量方程、七方程、s 方程，这些方程均可表示成如下通用形式： 掣+ 掣+ 掣+ 煎笋= 昙( r 尝) + 专( r 考 + 鲁( r 警) + s 西叙 却 a z苏i 舐，却i 却j 如l 瑟， ( 2 1 1 ) 使用散度符号1 0 1 ，上式( 2 1 1 ) 记为： 掣+ 咖沏) ：咖峙谢矽) + s ( 2 1 2 ) 七一占模型是针对湍流发展非常充分的湍流流动来建立，它是一种针对高雷诺 数的湍流计算模型【2 0 】，而当在处理雷诺数比较低的近壁区内的流动时，由于湍流 发展不充分，湍流的脉动影响可能不如分子粘性的影响大，在更贴近壁面的底层 内，流动可能出于层流状态，对雷诺数较低的流动使用时必须采用特殊的处理方 式，以解决近壁区内的流动计算，常用的解决方法有两种，一种是采用壁面函数 法，另一种是采用低雷诺数的后一s 模型。 采用低雷诺数七一占模型，由于低雷诺数的流动主要体现在粘性底层中，流 体的分子粘性起着绝对的支配地位，因此对高雷诺数七一占模型进行以下三方面 的修改，才能使其可用于计算各种雷诺数的流动： 1 为体现分子粘性的影响，控制方程的扩散系数项必须同时包括湍流扩散系数 与分子扩散系数两部分。 2 控制方程的有关系数必须考虑不同流态的影响，即在系数计算公式中引入湍 流雷诺系数。 3 在k 方程中应考虑壁面附近湍动能的耗散不是各向同性这一因素。 在此基础上，写出低雷诺数七一占模型的运输方程： 碟式分离机转鼓内流场研究 掣+ 掣= 珊+ 箦肘印斗2 i 掣+ 掣= 毒+ 刳别+ 竿q 蚓一q 。p 譬蚓+ 1 2 等( 嘉) 2 l 上式( 2 1 3 ) 中， 从：c l 厶i p 譬 ( 2 1 3 ) n 代表壁面法向坐标，u 为与壁面平行的流速。在实际计算时，方向n 可近似取 为x 、j ，和z 中最满足条件的一个，速度u 也可做类似处理。系数c l 。= 1 4 4 、 c 2 。= 1 9 2 、c = o 0 9 、= 1 0 、盯。= 1 3 ，产生项q 是由于平均速度梯度引起的 湍动能七的产生项，由下式计算： 瓯硝( 考+ 等 考 ( 2 1 4 ) 对标准七一s 进行修正后计算结果与实际实验测定更加符合1 2 1 。 2 2 1 混合模型及参数 对多相流体进行计算时常采用混合模型： 1 混合模型的通用方程 质量守恒：连续方程为： 昙) ( 成) = 二 这里1 ，。是质量的平均速度，可用下式表示： 1 、斗 f ：尘型竺! 鱼兰 p m 上两式中的几是混合密度，可用下式表示： 1 2 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 硕士学位论文 n 几= 吼店 七= l ( 2 1 7 ) 其中口。是第七项的体积分数。适中的m 描述了由于气穴或用户定义的质量源 的质量传递。 2 混合模型的动量方程 混合模型的动量方程可以通过对所有项各自的动量和来获得瞄1 ，它可表示为 昙( 成五) + v ( 成五) = 一即+ v 帆( v t + v 砂 ， _ 、 ( 2 2 1 ) _- 1 月l 成；+ v l 吼见1 ， ，甜l l 小1 ( 2 2 1 ) 式中，力相数，f 是体积力，搠是混合粘性： “：y 口。“。 ( 2 2 2 ) 肼。三l 口t i k 么二z ， 七= 1 j 是第二相的七的漂移速度： ，咖j = 1 ，i 一1 ，脚 ( 2 2 3 ) 3 相对( 滑留) 速度和漂移速度 相对速度( 也指滑流速度) 被定义为第二相( p ) 的速度相对于主相( q ) 的速度： v 伊= v p v g ( 2 2 4 ) 漂移速度和相对速度( ) 的关系通过式来表示： v 二p2 艺一荟警；班1 ，咖，p = 1 ，印一乙_ v 班 ( 2 2 5 ) 一些流体计算软件中，总的混合模型使用了代数滑移公式。代数滑移混合模 型的基本假设是规定相对速度的代数关系，相之间的局部平衡应在短的空间长度 尺上达到【2 5 1 。相对速度的形式由给出： v 伊= f 卵口 ( 2 2 6 ) 式中，三是第二相粒子的加速度，是粒子的弛豫时间。根据m 锄j 1 i n e n 理