（流体机械及工程专业论文）旋流泵气液、固液两相流输送特性试验及数值模拟.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 为探明旋流泵内部两相流动的规律，在参考前人研究的基础上，选用 3 2 w b 8 1 2 模型泵，测试输送气液、固液两相流时泵的性能以及对内部两相流场进 行了数值模拟计算。为提高旋流泵的实际运行效率，扩大应用范围，完善内部流 动模型的建立提供科学依据。本文主要工作及研究结论如下： 简要介绍了国内外气液、固液两相流的研究现状。阐述了旋流泵的水力部件 对性能的影响，在此基础上选取满足试验台测量要求的模型泵。运用p r o e 软件对 设计的模型泵进行三维造型；对泵内部流道区域进行非结构化网格划分。 对旋流泵汽蚀状态、气液混输性能初步分析基础上，进行了汽蚀性能试验， 计算出临界汽蚀余量n p s i - h 随流量吼的变化曲线。在此基础上，假定通入空气为 泡状流动，对泵气液混输特性进行型式试验，得到了含气量对泵流量、扬程及效 率影响的变化规律；在整个流道内，空气主要集中在轮毂处，形成密集的气泡群。 将汽蚀试验与气液混输试验进行对比分析，探索气相对旋流泵性能的各种影响和 作用机理，证明旋流泵具有气液混输功能。 选用菜籽、小麦、黄豆为固相工作介质，通过改变固相体积分数的方法，研究 固液两相流对旋流泵性能的影响。对泵输送这些流体时的扬程、效率和汽蚀性能变 化的试验结果进行分析，探索固相对旋流泵性能的影响和作用机理。通过压力与颗 粒分布，分析了颗粒浓度、粒径大小对泵内固体颗粒运动的影响和进口固相初始体 积分数对泵内压力和固相分布的影响。试验结果表明：粒径不变时，泵进出口总压 差随颗粒浓度的增加而下降，泵的扬程和效率均有所降低；颗粒浓度不变时，泵进 出口总压差随粒径的增加而降低，泵的扬程和效率均有所降低。 采用m i x t u r e 多相流模型及r n gk - e 湍流模型对旋流泵在最优工况下的内部气 液、固液两相湍流场进行了数值模拟；得到了叶轮及无叶腔区域的内部流动情况 和速度及静压分布规律，并将计算结果与实验研究对比分析，验证了数值模拟的 可靠性。 关键词：旋流泵，进口含气率，颗粒浓度，固液两相流，汽蚀余量 江苏大学硕士学位论丈 a b s t r a c t i no r d e rt op r o v eu pt h el a wo fl i q u i d s o l i dt w o - p h a s ef l o wi nv o r t e xp u m p ，i n r e f e r e n c et o p r e v i o u ss t u d i e s ，b a s e do nt h ea p p r o p r i a t ec h o i c eo fm o d e lp u m p ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e sw e r eu s e d t h em a i nw o r k sa n d c o n c l u s i o n sa r es h o w e da sf o l l o w i n g t e s tt r a n s p o r to fg a s l i q u i d ，s o l i d - l i q u i dt w o - p h a s e f l o ww h e nt h ep u m pp e r f o r m a n c ea n dt h ei n t e m a lt w o p h a s ef l o wf i e l dw a sn u m e r i c a l l y s i m u l a t e d i tc a nb ep r o v i d e das c i e n t i f i cb a s i sf o ri m p r o v i n gt h ea c t u a le f f i c i e n c yo f v o r t e x - p u m p ，e x p a n d i n gt h ea p p l i c a t i o nr a n g e ，c o m p l e t i n gt h ei n t e m a lf l o wm o d e l p r e s e n tr e s e a r c hs t a t e so fv o r t e xp u m pa n dg a s - l i q u i da n ds o l i d l i q u i dt w o - - p h a s ef l o w w e r ei n t r o d u c e ds i m p l y t h em a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n sa r es h o w e da sf o l l o w ： d e s c r i b e dv o r t e xp u m ph y d r a u l i cp e r f o r m a n c eo fc o m p o n e n t s ，o nt h i sb a s i s ，s e l e c t t h et e s t - b e dt om e e tt h em e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n t so ft h em o d e lp u m p p r o ew a s a p p l i e dt os c u l p tt h em o d e lp u m p t h eu n s t r u c t u r e dg r i d sw e r eg e n e r a t e di nt h ea r e ao f f l o wp a s s a g ei nt h ep u m p t h i sp a p e ra n a l y z e ss i t u a t i o no fc a v i t a t i o ni nv o r t e xp u m pa n dc e n t r i f u g a lp u m pi n d e t a i l ， o b t a i n e san u m b e ro fa n t i - c a v i t a t i o n p e r f o r m a n c e a n d g a s l i q u i d m i x e d t r a n s p o r t a t i o no ft w ok i n d sp u m p s t h r o u g ht h ec a v i t a t i o ne x p e r i m e n to fm o d e l i n g ， c a l c u l a t ec h a n g i n gt r e n d so ft h en p s h cc u r v ew i t ht h ef l o w 缈o nt h i sb a s i s ，a s s u m i n g a i ra st h e b u b b l yf l o w , t h r o u g ht h ec h a r a c t e r i s t i c t e s to f g a s - l i q u i d ，o b t a i n s p e r f o r m a n c ec h a n g er u l e so ff l o w , h e a da n de f f i c i e n c y i nt h ew h o l ef l o wp a s s a g e ，t h e a i rc o n c e n t r a t e di nt h ew h e e lh u bo f f i c et of o r mad e n s ec l u s t e ro fb u b b l e s t h e m e c h a n i s ma n di n f l u e n c eo ft h ee x i s t e n c eo fg a sp h a s eo nt h ep e r f o r m a n c eo fv o r t e x p u m pw e r ee x p l o r e dt h r o u g hc a v i t a t i o nt e s ta n dt h ec h a r a c t e r i s t i ct e s to fg a s - l i q u i di s c o m p a r e d ，t h er e s u l t sp r o v e st h a tv o r t e xp u m pc a nt r a n s i e n tg a s l i q u i dt w o p h a s e i no r d e rt of u r t h e rs t u d yt h es o l i d - - l i q u i dt w o - p h a s ef l o wm e c h a n i s mi nv o r t e x p u m p ，t h ei n t e r i o rp u m pf l o ww i t ht h ev e g e t a b l es e e d ，t h ew h e a t ，t h es o y b e a nb ym e a n s o fv a r y i n gp a r t i c l es i z ea n dc o n c e n t r a t i o ni nt h ew o r k i n gm e d i u m t h em e c h a n i s ma n d i n f l u e n c eo ft h ee x i s t e n c eo fs o l i dp h a s eo nt h ep e r f o r m a n c eo fv o r t e xp u m pw e r e e x p l o r e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i so nt h ev a r i a t i o no fh ，na n dn p s h t h e 江苏大学硕士学位论文 d i s t r i b u t i o no fp r e s s u r ea n dp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nw a su s e dt oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo f p a r t i c l es i z ea n di n i t i a lv o l u m ef r a c t i o no fs o l i dp h a s eo np a r t i c l em o t i o n ，p r e s s u r ea n d s o l i d p h a s ed i s t r i b u t i o n i nt h ep u m p i ti sc o n c l u d e dt h a t ：f o rt h es a m ep a r t i c l e d i a m e t e r s ，t h ed i f f e r e n c eo ft h ei n l e ta n do u t l e tt o t a lp r e s s u r ed e c l i n e sw i t ht h ei n c r e a s e o fs a n d yv o l u m ef r a c t i o n ，t h eh a n d ，7d e c r e a s e d ；f o rt h es a m es a n d yv o l u m ef r a c t i o n s ， t h ed i f f e r e n c eo ft h ei n l e ta n do u t l e tt o t a lp r e s s u r ed e c l i n e sw i t ht h ei n c r e a s eo fp a r t i c l e d i a m e t e r , t h eha n d ，7d e c r e a s e d m i x t u r em u l t i p h a s ef l o wm o d e la n dm o d i f i e dk st u r b u l e n tm o d e lw e r e a d o p t e dt os i m u l a t ei n t e r n a lg a s - l i q u i da n ds o l i d - - l i q u i dt w o - p h a s ef l o wf i e l da tt h eb e s t e f f i c i e n c yb e h a v i o ro fp u m p ；i m p e l l e ra n dv o l u t eh a v eb e e nt h ei n t e r n a lf l o wc a v i t y r e g i o na n dt h ev e l o c i t ya n ds t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o ni s v e r i f i e db yc o m p a r i n gw i t he x p r e m e n t a lr e s u l t k o yw o r d s ：v o r t e xp u m p ，g a sv o l u m ef r a c t i o n ，s a n d yv o l u m ef r a c t i o n ，s o l i d l i q u i d t w o - p h a s ef l o w ，n p s h 江苏大学硕士学位论文 符号表 面积，m 2 涡室宽度，m m 叶片出口宽度，m m 泵进口直径，i n i n 泵出口直径，m m 涡室基圆直径，m m 压水室喉部面积，m m 2 重力加速度，m s 2 扬程，m 系数，比值 转速，r m i n 比转速 汽蚀余量，m 临界汽蚀余量，m 功率，w 电机输入功率，w 电机输出功率，w 轴功率，w 大气压力，p a 静压，p a 总压，p a 体积流量，m 3 h 质量流量，k g s 压水室最大半径，m m 含气率， i v 雷诺数 半径，m 叶轮位置，m i l l 体积，m 3 速度，m s 圆周速度，m s 径向速度，m s 轴向速度，m s 相对速度，m s 叶片数 叶片厚度，m i l l 湍动能耗散率，m 2 s 3 总效率 水力效率 容积效率 机械效率 机组效率 湍动能，m 2 s 3 动力粘度，p a s 涡粘系数 运动粘度，m 2 s 。1 密度，k g m 3 通用应变量 角速度，r a d s 凤 ， s y y h 屹 w z j s 叩 伽 珈 七 胁 口 1 9 i 国 日 h s s a 口 如 研眈 仍 g h k 厅 船 船 p 疡 蹦 如 肌 体 肋 吼 锄肌 g 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a f 学位论文作者签名：f 许珠么指导教师签名：矽彝 勿叫年f2 月2f 日 彦吲年，乙月乞7 日 独创性：声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，足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已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。 学位论文作者签名：- j 祥七 日期： z 毋吖年z 月z f e t 江苏大学硕士学位论文 1 1概述 第一章绪论弟一早 三否下匕 两相流动主要分为气液和固液的混合运动。两相流广泛应用于能源、化工、 冶金，核能、冶金等领域。早在1 9 0 7 年，两相流就被用来减少波浪对建筑物的破 坏作用。此后，在工程中也得到越来越广泛的应用，如在河口用气泡幕防止盐水 入侵；控制水库和湖泊中的分层结构以及改善水质；加速反应装置中的物质混合、 热量交换、以及化学反应过程；在城市河流污染治理中，用纯氧曝气复氧来治理 污染河流、消除黑臭。在电力行业中的应用主要体现在火力发电厂的水力除灰系 统中，和火力发电厂湿式石灰石洗涤法脱硫系统中 1 1 。气液两相流动很大程度上取 决于气泡运动形态以及分散相和连续相之间的相互作用。然而，在气液两相流动 中，气液两相的流速是不同的。在流动时，气液两相的流动结构又是多样的，而 且，带有随机性。有关固液两相流的问题很早就已经提出。b o u s s i n e s q 早在1 8 7 7 年就已经较系统地研究过明渠水流中泥沙的沉降和输运。m a l l o c k 于1 9 1 0 年研究 过声波在泡沫液体中传播时强度的衰减。但是许多经验和研究成果分散在各个不 同领域，交流不多。直至上世纪四十年代，才开始有意识地总结归纳所遇到的各 种现象，用两相流的统一观点系统地加以分析和研究。五十年代以后相关的论文 数量显著增加，内容包括两相流边界层，空化理论，流态化技术，喷管流动等 2 1 。 六十年代以后，越来越多的学者丌始探索描述两相流运动规律的基本方程。两相 流作为一门独立的学科形成，并有了迅猛阶段，但迄今为止还没有非常成熟的体 系，尚处于发展初期，很多方面都要依赖于经验数据，而且数据的分散性很大【3 啊。 旋流泵以独特的结构和输送液固介质时所具有的无堵塞性，广泛应用于污水 污物处理、固体物料水力输送等【7 】。旋流泵进行合理设计以避免输送介质在泵内出 现相分离，是提高泵输送性能的关键。由于实验条件的限制，目前的水力设计大 多以单相液体为介质，缺乏对气液两相和固液两相的考虑，尤其是高含气率流动 机理的了解及精确的理论分析计算。而流动数值模拟具有投入少、周期短、信息 完整、仿真能力强等优点，在实验室研究基础上，因此实现混输泵气液两相的数 值模拟对于产品的优化设计、提高泵输送性能具有重要意义。 江苏大学硕士学位论文 早期的叶片泵气液两相流计算受计算机软硬件的限制，较多地采用离散相模 型，即视液相为连续相，在欧拉坐标下求解输运方程；视气相为离散相，在拉氏坐 标下求解气泡运动方程；相间耦合及其结果可对气泡轨迹、液相流动进行修证但 离散相模型意味着气相含量必然很低，一般来说要小于总流量的1 0 ，并且未能 考虑气泡之间的相互作用、含气率对液相的影响等1 4 - 7 1 。 由于旋流泵具有的特殊性，国内外学者对其进行了大量的理论和实验研究， 取得了一定的成果。但是由于对其内部流动规律认识不够充分，对其工作原理及 其能量转换规律尚没有完全弄清楚，所以旋流泵的设计理论还未成熟，目前旋流 泵产品效率依然偏低【& 9 1 。而且旋流泵具备输送气液、固液两相流体的特性，对泵 内两相的真实流动规律的研究报道较为鲜见，所以对旋流泵内部液气、液固两相 流场的研究具有较大的现实意义。 1 2 国内外研究现状 由于旋流泵内部流动非常复杂，国内外学者对其内部流动进行了大量研究。 在其流动机理【1 0 】和设计方法等方向取得了一定进展。 1 2 1 旋流泵研究现状 对旋流泵内部流动的研究，现阶段主要集中在理论分析和实验观测上。西德 学者r u t s c h i 于1 9 6 8 年发表了第一篇关于旋流泵实验研究的报告【1 1 1 。c r b a o w 在 1 9 7 0 年发表的论文上介绍了旋流泵无叶腔中的速度和压力分布，指出与二次流有 关的水力损失占旋流泵能量损失的大部分【1 2 1 。之后，s c h i v l e y 、北村、青木等先后 用3 孔或5 孔探针测鼍了无叶一腔内的速度场和压力场，并用示膜法显示了泵叶 片和后盖板表面的迹线，其研究结果表明：旋流泵内存在着循环流动和贯通流动， 而循环流是泵效率低的主要原因1 1 2 1 。根据大庭用5 孔探针测得的无叶腔内与轴垂 直断面上的速度矢量分布，可以看出，在轴线附近，流体近似于强制旋涡流动， 而在靠近叶轮出口处，流体近似自由旋涡流动【1 3 】。在国内，蔡振成于1 9 7 9 年对6 j 3 5 型旋流泵进行了实验研究【1 5 】。其后，江苏大学的关醒凡、陈红勋、沙毅等也做了 大量实验研究。关醒儿、陈红勋f 1 6 1 等用5 孔探针测量了无叶腔内速度和叶轮内速 度分布，试验表明在叶片流道内存在较强的轴向旋涡，同时还用压力传感器量测 得了叶片表面的压力。王家禄【1 7 】根据大庭推荐的几何参数化法设计了不同的叶轮， 2 江苏大学硕士学位论文 并进行了试验研究，得出了叶轮大小、宽度对扬程、效率的影响。郑铭【1 8 】等用试 验做了叶轮大小、无叶腔宽度、叶轮宽度等参数对旋流泵性能的影响。沙毅等【1 9 1 还做了旋流泵的汽蚀试验，得出旋流泵具有很好的汽蚀性能的结论。 关醒儿等在总结1 1 种旋流泵试验数据基础上，建立了旋流泵三要素设计法 1 2 0 - 2 t 1 。沙毅、杨敏官、袁寿其等人i 拄矧在总结优秀水力模型和水力几何参数对泵 的特性影响的实验研究基础上，拟合出了水力几何参数的计算公式，提出了速度 系数设计方法 2 4 甾l ；杨敏官、高波等i 硐采用相位多普勒粒子测速仪( p d p a ) 测量了 旋流泵内部盐析两相流场，揭示了旋流泵内两相流场的分御特征。 1 2 2 两相流研究现状 下面分别对两相流的物理模型、数值模拟方法以及实验研究方法三方面阐述两 相流的国内外研究现状【2 7 1 。 1 两相流物理模型 两相流的物理模型是建立两相湍流流动方程的基础。目前建立两相流的物理 模型不外乎两类方法，即e u l e r 方法和l a g r a n g e 方法f 捌。e u l e r 方法是将每一相都 看成是充满整个流场的连续介质，其中固相颗粒是与流体相相互渗透的连续介质， 它与连续相流体一样，采用在e u l e r 坐标系中宏观连续介质原理中的质量、动量和 能量守恒方程进行描述，依据这种观点建立起来的模型即双流体模型【冽。根据推 导建立双流体模型所采用的方法，可分为连续介质模型、颗粒群模型、以颗粒碰 撞理论为基础的动理学模型等。对密相液固两相流，这类模型能通过固体粘度和 固体压力来表示颗粒问相互作用；l a g r a n g e 方法把流体( 液体或气体) 当作连续介 质，而将颗粒视为离散体系，在e u l e r 坐标系下考察液体相的运动，在l a g r a n g e 坐标系下研究颗粒群的运动，即颗粒群轨道模型。这类模型用完全弹性碰撞模型 或颗粒离散单元法处理密相液一固两相流中颗粒间相互作用。 i s h i i 、d r e w 、d e l h a y e 、刘大有等人 2 8 - 3 0 采用连续介质模型建立了两相流基本 方程；采用动理学模型建立两相流基本方程的有刘大有、i s h i i 、d i n g 、l o u g e 、p a i 、 傅旭东等人，他们在对碰撞积分项的处理上各有特点；h o o m a s 、o e s t e r 、b o l i o 等 人运用颗粒轨道模型进行了两相流研究，对大量颗粒轨迹进行统计分析，得到了 颗粒群运动的情况。 3 江苏大学硕士学位论文 2 两相湍流数值模拟方法 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、应用r e y n o l d s 时均方程的模拟等方法。 直接数值模拟可以给出湍流产生及发展的细节，但所需计算机储存及计算量 太大，它主要被用来做湍流的基础研究且一般只适用于低r e y n o l d s 数，尚无法用 来解决工程问题。目前，国外一些研究者将直接数值模拟方法与l a g r a n g e 坐标系 下的颗粒运动方程相结合，对流体颗粒两相流进行研究，如o u n i s 、m c l a u g h l i n 、 s q u i r e s 等人【3 1 1 。 大涡模拟是一种几乎与直接数值模拟同时发展起来的湍流高级数值模拟。这 种方法用非稳态的n a v i e r - s t o k e s 方程来直接模拟大尺度涡，不直接计算小尺度涡， 小涡对大涡的影响通过亚格子r e y n o l d s 应力模型来考虑。这种方法可以适用到较 高的r e y n o l d s 数和较复杂的流动几何结构，但随着r e y n o l d s 数的增大，会出现模 拟精度下降的问题，而且亚格子r e y n o l d s 应力模型还不完善，因此大涡模拟目前 还不适合于两相流动的工程应用。 离散涡模拟是把湍流流场分成一系列尺度的涡元，在拉氏坐标中用涡元的随 机运动来模拟流量。离散涡模拟对二维不可压缩、非定常、高雷诺数流动的直接 数值模拟具有优越性，它可以较为真实地反映湍流产生及发展过程的机理。无需 用其他模型封闭，数值耗散小，具有自适应性，无需区分层流或湍流，且适合于 模拟绕复杂几何外形的分离流动。吴文权f 3 2 1 等用离散涡方法计算了非稳态流场中 流动涡结构对固体粒子运动的影响，发现了颗粒与旋涡结构之间的明显相关。 以上均属微观模拟方法，共同点是计算量巨大，还只限于槽道流、剪切流和 管流等简单流动，难以直接应用于复杂流动。 大量的工程湍流计算仍需依赖于从r e y n o l d s 时均方程出发的各种湍流粘性系 数模型和r e y n o l d s 应力模型。其中扣双方程模型以及其修正模型如r n g 扣s 模 型、可实现k - s 模型等是目前工程上应用最广泛的一种模型，对工程设计作出了 很大贡献。湍流两相流时，与流体相速度脉动相关量一样，颗粒速度脉动相关项 一般被模拟为颗粒相的湍流粘度，周力行【3 1 3 5 】用与模拟纯流体相湍流粘度的方法 对固相的湍流粘度进行了详细研究，得到了关于固相湍动动能输运方程模型，该 模型与气相虹s 一起构成了扛s 吨模型。 4 江苏大学硕士学位论文 1 3 本文研究的内容及意义 在总结上述国内外有关旋流泵设计、内部流动模型、外特性测试以及两相流 理论应用、数值计算和试验研究等方面的基础之上，提出本文研究的内容及目的 意义。 1 3 1 研究的主要内容 旋流泵内的流动是非常复杂的气液、固液两相的三维湍流流动，对其内部流 动的研究涉及到流体机械原理、两相流理论、数值计算方法及内流测试技术等。 本文以课题组设计制造的旋流泵样机为研究对象，选用合理的两相流计算模型进 行数值模拟，并对旋流泵输送气液、固液两相流进行了外特性试验，并将结果与 计算值对比分析。 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 在参考课题组成员研究的基础上，选用3 2 w b 8 - 1 2 型模型泵。 ( 2 ) 改进试验台，进行旋流泵气液、固液混输外特性试验。 ( 3 ) 运用三维造型软件对设计的模型泵进行三维造型，利用网格生成技术对其 划分网格。 ( 4 ) 选用合理的两相流模型，对模型泵内部液固两相流场进行全三维数值模 拟，并以截面形式显示计算结果，获得速度、压力、气体以及颗粒浓度分布等信 息。 1 3 。2 研究的目的和意义 本文研究目的为得到旋流泵在输送气液两相流以及输送不同粒径、浓度时固 液两相流时泵性能变化规律，通过对流场进行数值模拟得到旋流泵内部气液、固 液两相流场变化规律，并得到旋流泵内部速度、压力、浓度场分布等状况，掌握 旋流泵在实际运行时的真实流动规律，以指导旋流泵工程应用。 泵总耗电量约占全国总发电量2 0 左右。目前国内水泵的实际使用效率普遍 比较低，提高泵的效率及其运行效率，对我国的节能工作具有重要意义【3 每3 刀。通 过本文的研究，探讨旋流泵的通过性能，可为扩大旋流泵的应用范围，节能降耗 提供科学依据。 5 江苏大学硕士学位论丈 第二章模型泵选型及网格划分 本章在比较目前常用的旋流泵基础上，选择课题组原有的3 2 w b 8 1 2 型旋流 泵进行局部改造，通过试验获得其外特性曲线，并利用三维造型软件p r o e 对模型 泵进行三维造型。 2 1 旋流泵设计概要 2 1 1设计原则 用两相流理论设计两相流泵关键在于j 下确解决两相流场的变化关系，不过， 在初始设计时还要遵循一定的原则1 3 8 1 。 1 提高效率 效率是衡量泵能否节能效益的重要指标，合理设计叶片进口角度，良好的叶 片型线、合理的叶片宽度等，改善泵结构，提高容积效率和机械效率也都有利于 泵效率的提高。 2 抗磨性 旋流泵输送的是含固体颗粒的液体，颗粒对过流部件的磨损非常厉害，因此 在泵的设计中，要充分考虑过流部件的抗磨蚀性能，使磨损的各种因素减小到最 低程度。较大的叶片进口角度、叶片宽度和较小的叶轮外径等均对抗磨有利。 3 汽蚀性 泵在输送液体时，泵叶轮进口附近会出现低压，当此压力低于所抽送液体在 当时温度下的饱和蒸汽压力时，就产生汽化现象。当携带汽泡的液体继续运动到 达高压区时，汽泡会迅速溃灭，这样将会对泵的流道壁面造成强烈的冲击进而产 生汽蚀破坏。当液体中有固体颗粒时，在某些情况下会加剧汽蚀破坏。因此，在 旋流泵设计时，不得不考虑其抗汽蚀性能。合理的叶轮转速、叶轮进口直径和叶 片宽度等都有利于提高泵的抗汽蚀性能。 4 过流能力 旋流泵属于污水污物泵或杂质泵，一般情况下被用来抽送液固混合介质，对 固体物料进行输送，一定要考虑其过流能力。在某些使用环境下输送的介质中往 往有大颗粒，因此必须在设计时考虑大颗粒是否能通过。较少的叶片数、较大的 6 江苏大学硕士学位论文 无叶腔宽度和进口角度等都有利于颗粒的通过，同时要确定合理的泵进口直径、 叶片宽度等。在泵的设计时，除了要遵循以上原则外，还要注意泵的密封性能， 是否结构简单、易拆卸、易维修、经济性等。 2 2 结构参数对性能的影响及主要水力参数 2 2 1 结构参数对性能的影响 旋流泵的结构参数主要有叶轮外径d 2 叶轮叶片宽度6 2 ，叶轮叶片厚度t ，涡 室形状及宽度工，叶片形状及叶片数z 等p 9 4 1 1 。 1 叶轮外径d 2 对泵性能的影响 与离心泵一样，d 2 是影响旋流泵性能的一个重要几何参数。对于其他结构尺 寸参数固定匹配情况下，叶轮外径减小，叶轮内和前腔内液体的旋转速度分量减 小，使的所产生的旋涡强度减小，因而泵的扬程降低，但随着叶轮外径的减小， 流量减小量比较小，因为叶轮减小，相对增加了涡室过流面积，可补偿部分由于 叶轮外径减小而造成的流量下降。但是随着叶轮外径增大，圆盘摩擦损失增大， 所以d 2 以一个中间值所表现出的性能为最佳，泵效率达最高值。旋流泵无叶腔的 旋涡水力损失是泵效率偏低的主要原因之一。一特定的d 2 值使旋涡运动处于最小 水力损失状态更为重要，这一方面与离心泵有较大的区别。 旋流泵涡室中的液体旋转角速度接近于叶轮的角速度。叶轮外径是影响旋流 泵流量、扬程的主要因素。扬程、流量曲线、功率流量曲线随外径变化平行移动， 而最高效率变化不大。旋流泵转速变化基本符合相似理论比例定律，不符合汽蚀 相似定律【4 2 】。 2 叶轮叶片宽度幻对泵性能的影响 叶片越宽，其对流体的做功越大，扬程和效率也随着增高，但高效点向大流 量偏移。在其他几何参数不变的情况下，单纯增加幻，泵的效率明显提高，但是 增大到一定值，泵效率不会再提高，反而有下降的趋势。从流场分析可知幻的增 加，贯通流的比重增大而叶轮循环损失相对减少，最高效率点向大流量偏移，6 2 大小应与流量要求相适应。随着泵的流量增加，幻也要相应增大。对于给定的流 量应有合适的幻值，过小则效率低，幻过大则轴功率增加。 7 江苏大学硕士学位论文 3 叶轮叶片厚度t 对泵性能的影响 在其它参数不变的情况下，叶片厚度减小，泵的扬程、流量和效率增加。这 是因为旋流泵叶轮旋转，除带动叶轮叶片间液体旋转外，还带动前腔内的液体旋 转。由于叶片厚度在叶片和前腔问形成问断层，造成附加的水力损失，并减弱前 腔液体的旋转程度。所以叶片越厚，流量、扬程减小，泵效率下降。观察经长期 运行而磨损的叶轮叶片可知，磨损最重的部位是在叶片进口边前缘处。实践表明， 采用双向楔形叶片形状是有益的。 4 涡室宽度对泵性能的影响【4 1 1 旋流泵涡室亦称为无叶腔或压水室，由流场计算和试验得知，增大，圆周速 度减小，流体所具有的能量减小，因为无叶腔宽度变大，即泵体的体积增大，叶 轮传给单位质量流体的能量相应的减少，因而扬程降低，另外，增大后，出口直 径不变，贯通流大致一定，而循环流增加，使扩散、撞击旋涡损失增加，泵效率 下降。当l d 2 = o 2 5 5 时，旋流泵效率较高且有较好的通过性，当l d 2 o 2 5 5 时， 泵效率会略有提高，但通过能力下降。 5 叶轮叶片数z 及叶片形状对泵性能的影响 叶轮叶片的形式和泵的性能有一定的关系。叶片有直叶片、斜叶片和弯曲叶 片三种。从叶片进口开始倾斜的斜角用a 表示，同旋转方向的斜角在a 前加f ， 反旋转方向的在oi j 加r 。有的叶片在离出口约为叶片全长的1 4 1 3 部分开始 第二段倾斜，斜角用崃表示。同旋转方向的斜角在晡加f ，反旋转方向的在缈 前加r 表示。资料表明，倾斜叶片的效率高于直叶片，双向倾斜的效率又稍高于 单向倾斜叶片的效率。其中r 3 0 叶片，r 3 0 - - f 3 0 叶片是优先选用的叶片形式。 随着叶片数的增多，叶片对液体的作用增强，有限叶片数情况下的流动滑移 减弱，一般的说，叶片数增多，泵的扬程增加。另外旋流泵叶片间流道扩散十分 严重，轴向旋涡流动较强，造成叶片间流动紊乱，产生附加水力损失。适当的增 加叶片数，会改善这种流动状态，提高泵的效率，若叶片厚度薄，同时增加叶片 数，可达到明显提高扬程和效率的结果。 6 进口直径西对泵性能的影响 进口直径西是影响旋流泵性能的一个重要的水力几何参数。结合流场分析及 测试结果可知：在小流量区域内，贯通流较小而循环流占主要成分。对于较大进 8 江苏大学硕士学位论文 口泵而言，循环流的损失将更加明显。进入大流量区贯通流成分逐渐加大，循环 流比重下降，凶此效率上升较快。而小进l 泵，在小流量区，循环流占的比重较 小，故轴功率较低，进入大流量区，流人叶轮的冲。1 i 损失及摩擦损失增加速率很 快，故效率下降。众多试验表明泵进口直径磊与叶轮外径d 2 的比值在0 4 - 0 5 5 时泵的性能较好，高比转速泵选大值。 7 出口直径磊对泵性能的影响 据国外文献介绍，旋流泵的出口直径一般大于无叶腔宽度并与进口直径相同， 主要为求得大流量和良好的通过性。然而根据我国工程实践，若取较大的出口直 径，在操作者缺乏经验情况下，往往会大流量导致超功率烧毁电机，因此建议根 据经济流速及标准管径选取出口直径，这既可使设计点性能不变，又可以减少运 行中烧毁电机概率。 8 涡室形状对泵性能的影响 旋流泵无叶腔即为压水室或涡室。旋流泵压水室形状一般有螺旋形、准螺旋 形( 介于螺旋形和环形之间) 、环形三种。本文选用环形压水室。 环形压水室旋流泵从理论上接近叶片的速度分布与压力分布，但试验表明高 效区偏向小流量。大于设计流量时，扬程曲线明显下降，轴功率急剧上升，效率 下降很快。其主要原因是：流场分析及测试主要以设计工况为基础而较少考虑其 他工况：环形压水室不能充分引导流体由动能转化为压力势能，流体在压水室中 作绕轴的旋转运动却不能很快流出泵体。 9 涡室喉部面积对泵性能的影响 旋流泵从叶轮流出的液体在压水室内旋转，最终流出泵的液体和喉部面积 有直接关系，这一点和部分高速流泵相似。喉部面积，对旋流泵的性能有重要影 响，涡室喉部面积对扬程一流量曲线和效率一流量曲线趋势的影响大致和离心泵 的情况类似，但是，旋流泵涡室喉部面积相对较小时，泵效率提高幅度较大，这 一点和离心泵情况不同。这是因为旋流泵涡室径向尺寸较小，液流运动绝对速度 值较高，涡室喉部面积大将造成很大的扩散损失。 旋流泵叶轮室一般呈环形，在叶轮室外径确定的情况下，叶轮外径晚的变化， 也就是叶轮外缘与叶轮室内壁之间间隙变化的过程。叶轮室宽度b 以容积外轮为 准，在结构设计上一般叶轮室与无外腔的相交轴面与叶轮叶片面齐平。 9 江苏大学硕士学位论文 2 3 模型泵造型及水力结构参数 选用课题组研制的3 2 w b 8 1 2 型旋流模型泵。前人在这台模型泵上已完成变 转速和改变叶轮位置对旋流泵性能影响的实验研究。本文亦选择该模型泵，在对 叶轮外径d 2 和叶轮叶片宽度幻略作微调的基础上，通过对试验台进行局部改变， 主要从事旋流泵气液混输和小麦等粮食固液混输实验研究工作。 设计参数为： 流量：q = 8 m 3 h ，扬程：h = 1 2 m ，转速：n = 2 8 5 0 r m m ，比转速n s = 7 6 0 6 。 图2 1 和图2 2 分别为叶轮与蜗壳的结构形式，水力几何参数见表2 1 ，图2 3 为泵的实物照片。 图2 1 叶轮水力加工图 无叶腔宽度为4 0 m m ，径向尺寸r ， 6 5 5 c m 2 。压水室采用环形结构。 图2 2 涡室水力图 为9 0 m m ，计算得到压水室喉部面积为 表2 1 旋流泵水力设计参数 比转速，l s 7 6 0 6 叶轮外径d 2 ( m m ) 9 8 涡室径向尺寸r 棚) 7 0 压水室喉部面积f 血( m m b 5 0 4 叶片宽度幻( 姗) 2 0 涡室宽度工 2 5 涡室型线环形 涡室基圆d 3 他m ) 1 0 0 叶片数z ( 片) 8 泵吸入口直径吗 3 2 叶片厚度t ( m m ) 1 5 叶型线直射型 叶轮室宽度b ( m m ) 3 0 泵输出口径d o ( m m ) 2 5 1 0 江苏走学项士学位论文 24 模型泵网格生成 囤2 3 旋流泵实物圉 24 1 旋流泵三维造型 三维造型足进行流场计算的基础，模型建立是否合理对网格划分及计算结果 有定影响。本文计算域由叶轮区域流体及无叶腔区域流体两部分构成叶轮区 为旋转区域，无叶腔区为静止区域。本文采用参数化三维造型软件 p r o e n g i n e e r l 4 3 。4 6 1 分别建立旋流泵无叶腔和叶轮的三维计算模型，并对实际模型 r 如轮毂区域及叶轮后盖板与泵体间隙内流体】做适当简化。计算模型如图2 4 所示。 图2 43 2 w b 8 1 2 型旋流泉计算模型 江苏大学硕士学位论文 2 4 2 旋流泵内部流动区域网格生成 本文采用a n s y s 公司商用软件i c e mc f d 对旋流泵计算区域进行网格划分。 i c e mc f d 网格划分功能强大，可以实现边界层网格自动加密、流场变化大的区 域网格局部加密、网格自适应( 可用于激波捕捉、分离流模拟等) 。其h e x a 网格 生成模块，采用独特的映射技术，通过雕塑方法在拓扑空间进行网格划分，自动 映射到物理空间，可在任意形状的模型中划分出高质量的六面体网格。t e t r a 四面 体工具使用o c t r e e 方法进行网格划分，系统自动对已有的几何模型生成拓扑结构， 适合对结构复杂的几何模型进行快速高效的网格划分m 。其网格质量检查功能可 以检查、标识质量差的单元，独特的网格“光滑”功能，可用来对已有的网格进 行均匀化处理，从而大大提高了网格质量。 旋流泵计算区域形状比较复杂，划分六面体网格比较困难，四面体网格可适 用于复杂外形，并能在解的基础上进行自适应，因此本文采用四面体网格进行划 分。计算网格采用i c e mt e t r a 工具进行划分【4 8 。4 9 】，对无叶腔区域及叶轮区域分别 划分四面体网格，并通过“光滑处理提高网格质量。本文计算模型为叶轮完全 退缩至无叶腔后，模型网格数量如表2 2 所示。 表2 2 模型网格单元及节点数量 模型单元数节点数 3 2 w b 8 1 2 模型 7 8 6 3 2 51 4 5 2 8 5 2 5 旋流泵内部两相流场计算模型 目前有两种数值计算的方法处理多相流：欧拉一拉格朗h ( e u l e r i a n l a g r a n g i a n ) 方法和欧拉欧拉( e u l e r - e u l e r ) 方法【5 1 1 。 欧拉一拉格朗h ( e u l e r i a n - l a g r a n g i a n ) 方法 将流体视作连续介质而将固粒视作离散介质所建立的模型，此时对流体相用 欧拉方法描述，对固粒相用拉格朗r 方法描述，即跟踪固粒在各种力作用下的运 动轨迹和其他参数。 有三种欧拉欧拉多相流模型，分别为： 1 流体体积模型( v o o 所谓v o f 模型，是一种在固定的欧拉网格下的表面跟踪方法。当需要得到一 江苏大学硕士学位论文 种或多种互不相融流体问的交界面时，可以采用这种模型。在v o f 模型中，不同 的流体组分共用着一套动量方程，计算时在全流场的每个计算单元内，都记录下 各流体组分所占有的体积率。v o f 模型的应用例子包括分层流、自由面流动、灌 注、晃动、液体中大气泡的流动、水坝决堤时的水流、对喷射衰竭的预测以及求 得任意液气分界面的稳态或瞬时分界面。 2 混合物模型 混和物模型可用于两相流或多相流( 流体或颗粒) 。因为在欧拉模型中，各相被 处理为互相贯通的连续体，混和物模型求解的是混合物的动量方程，并通过相对 速度来描述离散相。混合物模型的应用包括低负载的粒子负载流，气泡流，沉降， 以及旋风分离器。混合物模型也可用于没有离散相相对速度的均匀多相流。 3 欧拉模型 欧拉模型是f l u e n t 中最复杂的多相流模型。它建立了一套包含有n 个的动量 方程和连续方程来求解每一相。压力项和各界面交换系数是耦合在一起的。耦合 的方式则依赖于所含相的情况，颗