（流体机械及工程专业论文）离心泵压出室及管内盐析液固两相流动的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文的研究工作在国家自然科学基金项目 叶轮机械内伴有盐析的液固两相 流动的研究 n o 5 0 4 7 6 0 6 8 的资助下完成 在自然界及现代工业中 伴有盐析的液固两相流现象普遍存在 为了更好地 了解盐析机理及为输送盐溶液装置的优化设计提供一定的参考 本文在前人研究 的基础上 对离心泵压出室及管内盐析两相流动进行了理论 数值模拟及实验研 究 进行的主要工作及取得的成果如下 1 简要介绍了国内外管内及离心泵压出室盐析液固两相流的研究现状 自行 设计了管内盐析两相流实验台 并采用p d p a 实验装置系统对管内盐溶液不同工 况下流速分布 粒径分布等进行了测量研究 获得 管内层流状态下盐析溶液中 初始成核的机率远大于固壁表面成核的机率 是主导的成核机制 等结论 2 根据实际情况 提出非均相成核机制是盐析中晶体成核的主导机制 同时 认为盐析晶体生长与一般晶体生长一样必须满足热力学条件和结构条件 3 认为描述盐析流动的合理的模型是双流体模型 分析了颗粒群模型的特点 与优势 并依据该模型 建立管内相应的液固两相流动控制体 较完整地建立了 包括质量方程 动量方程和能量方程在内的盐析液固两相层流流动控制方程组 4 运用p r o e 软件对设计的模型泵压出室进行三维造型 并对泵系统内部流 道区域进行非结构化网格划分 为提高网格质量及加快求解速度采用了局部加密 技术 5 采用e u l e r 多相流模型及修正的k 一占湍流模型对模型泵在不同工况下的内 部液固两相湍流场进行了耦合计算 为能与实测结果相比较 通过划分轴截面及 轴面的方法 对各测点进行精确定位与结果显示 获得 在压出室整个3 6 0 0 周向 范围内的不同径向截面上基本都存在二次流流动现象 的结论 6 介绍粒子图像速度场仪 p 的液固两相流动测量方法 并采用p i v 对 不同工况下离心泵压出室内盐析两相流场进行实验测量 将实测结果与计算结果 进行对比 并对结果进行分析 关键词 盐析 管流 压出室流动 数值计算 实验研究 p d p a p 1 v 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c hw o r k si nt h i sp a p e ra r ef i n a n c e db yt h ei t e mo fn a t i o n a ls c i e n c ef u n do f c h i n a s t u d yo nt h el i q u i d s o l i dt w o p h a s ef l o ww i t hs a l t o u ti nt u r b i n em a c h i n e s n o 5 0 4 7 6 0 6 8 t h el i q u i d s o l i dt w op h a s ef l o ww i t hs a l t o u tp h e n o m e n o ni sw i d e l ye x i s ti nn a t u r e a n dm o d e mi n d u s t r y i no r d e rt ob e t t e ru n d e r s t a n dt h es a l to u tm e c h a n i s ma n dp r o v i d e s o m er e f e r e n c et ot h eo p t i m a ld e s i g no ft r a n s p o r t a t i o ns a l ts o l u t i o ne q u i p m e n t t h e f u n d a m e n t a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha sw e l l 笛t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h es a l t o u tt w op h a s ef l o ww a sc a r r i e do u ti np u m p i n gc h a m b e ra n dp i p eb a s e do nt h ef o r m e r r e s e a r c h e s t h em a i nw o r k sa 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 i n g 1 p r e s e n tr e s e a r c hs t a t e so fs a l t o u tl i q u i d s o l i dt w o p h a s ef l o wi np i p ea n d p u m p i n gc h a m b e rw e r ei n t r o d u c e ds i m p l y t h ee x p e r i m e n t a ls a l t o u tt w op h a s ef l o w s y s t e mi np i p ew a sd e s i g n e di n d e p e n d e n t l ya n dt h ec o m p r e h e n s i v em e a s l l r e m e m r e s e a r c ht op i p ea b o u tt h es o l u t i o no fv e l o c i t ya n dg r a n u l ed i a m e t e rd i s t r i b u t i o nu n d e r d i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n sw e r es u r v e y e db yt h ep h a s ed o p p l e rp a r t i c l ea n a l y z e r p d p a s y s t e m c o n c l u s i o n sw e r ep r o p o s e ds u c ha s u n d e rt h es t a t eo fl a m i n a rf l o wi np i p e s t h ep r o b a b i l i t yo fi n i t i a ln u c l e a t i o ni ns a l to u ts o l u t i o ni sh i g h e rt h a ni ns u r f a c e n u c l e a t i o n w h i c hw a st h em a s t r a lm e c h a n i s mo fn u c l e a t i o n 2 a c c o r d i n g t oa c t u a ls i t u a t i o n t h en o n h o m o g e n e o u sp h a s en u c l e a t i o n m e c h a n i s mw a sc o n s i d e r e dt ob et h em a s t r a lm e c h a n i s mi ns a l to u tc r y s t a l l i z a t i o n s i m u l t a n e o u s l y i tw a st h o u g h tt h a tt h es a l to u tc r y s t a lg r o w t hm u s ts a t i s f y t h e r m o d y n a m i c sc o n d i t i o na n dt h es t r u c t u r ec o n d i t i o n 3 t h et w o f l u i dm o d e lw a sc o n s i d e r e dt ob et h er e a s o n a b l em o d e lt oe x p r e s s i o n t h es a l t o u tf l o w t h ep a r t i c l ec l o u dm o d e lw a sa n a l y z e da b o u ti t sc h a r a c t e r i s t i ca n d a d v a n t a g e w h i c hw a su s e dt oe s t a b l i s ht h el i q u i d s o l i dt w op h a s e f l o wc o n t r o lv o l u m e o ft h ep i p ea n dr e l a t i v e l yi n t e g r a t e de s t a b l i s h e ds a l t o u tt w op h a s el a m i n a rf l o w g o v e r n i n ge q u a t i o n si n c l u d i n gm a s se q u a t i o n s m o m e n t u me q u a t i o n sa n de n e r g y e q u a t i o n s 4 p r o ew a sa p p l i e dt os c u l p tt h em o d e lp u m p i n gc h a m b e r t h eu n s t r u c t u r e dg r i d s w e r eg e n e r a t e di nt h ea r e ao ff l o wp a s s a g ei nt h ep u m p i no r d e rt oi m p r o v et h e 鲥d q u a l i t ya n dq u i c k e nt h es o l u t i o nv e l o c i t y l o c a le n c r y p t i o nt e c h n i q u e sw e r ea d o p t e d 江苏大学硕士学位论文 5 e u l e rm 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 一占t u r b u l e n tm o d e lw e r e a d o p t e dt oc o u p l i n gc a l c u l a t ei n t e r n a ll i q u i d s o l i dt w o p h a s ef l o wf i e l da td i f f e r e n tw o r k c o n d i t i o n so fp u m p a x i a lc r o s s s e c t i o n sa n dr e g i o n sw e r ep l o t t e dt ol o c a t ee v e r y m e a s u r ep o i i l ta n dd i s p l a yt h er e s u l t sf o rc o m p a r i n gw i t ht h em e a s u r e m e n tr e s u l t s c o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e ds u c ha s t h es e c o n d a l tf l o wh a se x i s t e di nt h ev a r i o u sr a d i a l s e c t i o no fp u m p i n gc h a m b e r 6 m e a s u r i n gm e a n so nt w o p h a s ef l o ww i t hp a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t e r y p i v w e r ei n t r o d u c e d t h es a l t o u tt w op h a s ef l o wo fd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n si np u m p i n g c h a m b e rw e r em e a s u r e db yp i v w h i l et h ee x p e r i m e n t a la n dc a l c u l a t i o nr e s u l t sw e r e c o m p a r e da n da n a l y z e d k e yw o r d s s a l t o u t p i p ef l o w p u m p i n gc h a m b e rf l o w n u m e r i c a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h p d p a p 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1 3 在年解密后适用本授权书 不保密讯 学位论文作者签名 力乏渔恣 硐年 z 只砖e l 指导教师签名 勿吵年 2 月 才日 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 垣洚及 日期 劢0 7 年 明巧日 江苏大学硕士学位论文 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 液固两相流动现象普遍存在于自然界及生产实践中 虽然两相流学科近年来 才形成 但与两相流有关的问题很早就已经提出 早在1 8 7 7 年b o u s s i n e s q l l l 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 l 2 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 3 6 等 六十年 代以后 越来越多的学者开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 并有了迅猛发展 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 丌 在石油 化工 造纸等行业中 伴有盐析的液固两相流现象时有发生 其对 工业生产带来一定的不便同时也消耗了不少的能源 在介质的输送中一旦发生盐 析现象 析出的固相物质会发生沉降并以不同的速度粘结于管道内壁 叶轮机械 过流通道内壁 沉积层会随着介质输送时间的加长而增厚 结果导致过流通道面 积变小 流程需要的技术性能参数改变 影响到流程的正常运行 严重时需进行 输送设备的清理与更换 造成不同程度的直接或间接经济损失 s 叶轮机械及管道 作为输送各种盐溶液的过程装置 经常会出现上述盐析现象 因此 加强叶轮机 械及管道内部伴有盐析液固两相流动的研究 对其结构进行优化设计 从而进一 步提高其流动效率及减少盐析速率 对于节省能源及延长运行时间都是很有价值 的 在介质的输送过程中 影响盐析晶体生长的因素很多 其中包括输送溶液的 材质 溶液的环境温度 溶液物理化学特性及溶液的流动特性等 本文针对管道 及叶轮机械输送盐溶液过程中 温度及流场引起的结盐问题 研究离心泵压出室 及管内流体流动参数与结盐速率之间相互作用的关系 并将传热 传质理论应用 到传统的两相流理论中去 通过学科交叉研究以掌握结盐的机理 结盐与流动的 江苏大学硕士学位论文 相互关系及结盐现象存在时离心泵压出室及管道内部流动规律等 1 2 国内外研究现状 1 2 1 盐析两相流动研究现状 科研工作者对伴有盐析的液固两相流动的研究始于二十世纪五十年代初 至 今已取得了较多的研究成果 主要集中在石油 化工和水利等领域 英国学者 b i d o k h t i a a b r i t t e r re 1 9 j 在e x p e r i m e n t si nf l u i d s 中论述了明渠流动中盐层剪切力 对流动的影响 埃及石油研究学会的z a k i n a e ln 和a h m e d n e h a ls i t 0 1 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 m m o m vd w e l c h n l 于2 0 0 1 年8 月发布的美国o a kr i d g e l 雪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结盐或化学反应的两相 流动 波兰学者a n d r z e jj n o w a k r y s z a r d 八b i a l e c k i a d a mf i e t l 2 等在 c o m p u t a t i o n a lm a t e r i a l ss c i e n c e 中论述了结盐过程中传热问题 澳大利亚学者 t i a ns l i i z t o kl i v k d e a ni l i e v s k i 1 3 在 j o u r n a lo fc r y s t a lg r o w t h 中论述了在 层流和湍流状态下 晶体生长与过饱和度 温度的关系 此外 芬兰n w a s k y i a 大学的a m i rs h a k i b m a n e s h 1 4 j 在其博士论文中 运用分子运动理论分析了小颗粒 在管内沉积过程 对研究伴有盐析的液固两相流动的研究具有很好的借鉴作用 在叶轮机械领域 美国学者s a k r s a 1 1 5 运用有限元的方法对泵输送海水时的 叶轮进出口流动进行初步计算 而这些研究都未涉及结盐机理 结盐与内部流场 之间的关系 k o s t e n k o g s 1 6 j 研究了工业蒸发器中盐析对泵外特性的影响 澳大利 亚学者f o 唧a r d p e t e r r 7 进行了结盐物质的增长降低叶片机械性能的研究 美国学者 1 9 9 6 年研究了盐溶液与盐分沉淀对叶轮机械汽蚀性能的影响 l8 前苏联学者 m e s e n z h n i k y a z 和p m t l y a 1 9 于1 9 9 4 年研究输送介质的结盐对离心泵运行可靠性 的影响 美国学者l o p e z m i c h a e l 和g o o d w i n b r u c e 2 0 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 我国科技工作者对结盐问题也做了研究 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 如仲维卓 2 1 等在中 国科学杂志上发表关于热液条件下晶体的生长基元与晶体形成机理的研究 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 武德宁 宗进旗 2 江苏大学硕士学位论文 等 2 2 1 在 濮城油田油井结盐机理分析及防治措施 中分析了外部流场中压力 温 度等因素影响下的油井结盐机理分析及防治措施 在叶轮机械过流部件及其管内 结盐等问题的研究上 杨敏官等 2 3 1 对造纸工业碱回收流程中的绿液在管内结盐过 程进行了初步分析 提出管内结盐与输送管道的材质有关 王春林等 2 4 1 对输卤泵水 力模型进行了实验研究 分析了半开式叶轮叶端间隙不同时模型泵的性能 贾卫 东等 2 5 1 结合晶体动力学和流体力学理论 对管内绿液输运过程进行了实验和结盐 机理研究 从而把两相流体力学 流体机械相结合的结盐问题的研究及对伴有盐 析的两相流理论进行了进一步的发展 1 2 2 盐析两相流研究方法 1 2 2 1 实验研究方法 流场测量是研究管道及离心泵压出室内流动规律最直接最可靠的方法 众多 的数值计算和水力设计都需要通过流场测量来验证其与实际流场的符合程度 因 此流场测量的准确度就显得格外重要 目前的流场测量主要是测内部的速度场和 压力场 其中速度场的测量是难点 测量的主要工具和方法主要包括毕托探针 激光测速仪 l d v 粒子图像测速仪 p 和相位多普勒测速仪 p d p a 随 着实验技术的进步 已逐步可以获得接近真实湍流流动结构的非接触式测试系统 得到广泛的应用 粒子图像测速仪 p 是借助于流动图像中颗粒点或颗粒团位置的确定及追 踪捕捉 从而获得一定时间间隔内颗粒位移量 通过对不同位置颗粒的位移和相 邻图像间所采样的时间进行分析 就可以计算出颗粒相速度场 对于两相流 利 用像素计算的方法 分析图像中不同区域的颗粒数量 还可以得到流动区域内的 颗粒浓度分布 p w 在两相流动测试中的优势在于可进行瞬态测量 但为区分液相 和颗粒相的速度场及获得颗粒相粒径 浓度分布规律必须结合图像处理技术编制 专门的计算程序瞄明 p w 技术对离心泵压出室进行流场测量 其优点是突破了空间单点测量的局限 性 能在同一时刻记录下整个流场的相关信息 并定量的描述流场 可以分别给 出平均速度 脉动速度和粒径分布 随着图像处理技术的进一步发展 p w 技术已 经成为流场测试的主要手段 过程层析成像技术 t o m o g r a p h y 发展自医学诊断中对人体的断面成像 它 3 江苏大学硕士学位论文 实际上是c t 技术在工业流动过程中应用的改进和发展 用特殊设计的敏感器空间 阵列 非接触或非侵入的方式获取被测对象的场信息 运用图像重建算法重现两 相 多相流体在管道内或反映装置内部某一横截面上的分布情况 从而得到两相 流中离散相浓度分布及其随时间的变化情况 实现被测两相物体在某一截面上的 可视化1 2 引 相位多普勒技术 p d p a 被广泛应用在两相流和多相流的研究中 是目前公 认的同时测量粒子速度和尺寸的有效手段 p d p a 是在激光多普勒测速仪 l d v 基础上的一个重大拓展 1 9 6 4 年激光多普勒效应首次被应用于流体速度测定 在 此基础上 1 9 7 6 年v a nd eh u l s t 等人提出球形粒子粒径的相位检测方法 1 9 8 2 年 被w d b a c h a l o 和m i k eh o u s e r 成功运用于实际测量 主要应用领域有微滴尺寸的 测量 喷嘴喷射特性 燃烧系统气泡动态特性 两相流 粒子输运 三维速度场 湍流 边界层和空穴流等的研究t 2 9 3 0 国内对此测量技术的应用和研究仍处于发展阶段 在两相流测量方面 清华 大学的学者沈熊等对微型喷嘴的流速和粒径进行了测量 也测量了流化床颗粒运 动特性等 东华大学的苏亚欣测量了水平矩形管中气固两相流场 中科院力学所 刘青泉进行了水沙两相流的激光多普勒分相测量和试验研究 任凯锋等为了获得 后台阶气固两相湍流的流动特征 用p d p a 对其进行了实验研究 于勇为了研究 颗粒相的存在对气体湍流的影响 利用p d p a 测量了竖直轴对称突扩通道中两相 流动中的气体湍流变动 给出单相流动和气固两相流动时的平均速度和轴向脉动 速度分布 阐明了颗粒对气体湍流的作用 即湍流变动规律 薛元采等测量了水 平直管道中气体颗粒两相流动的流场 江苏大学杨敏官 贾卫东运用p d p a 测量 了管内伴有盐析的液固两相流动 施爱萍对发动机喷嘴的流速和粒径进行测量 在旋转机械内流测试方面 江苏大学的杨敏官 高波 贾卫东等人运用p d p a 对 旋流泵内部流场进行了的测量 上海交通大学的刘应征 赵岩等人介绍了p d p a 在轴流风机动叶内部流场测量中的应用 该校的刘文华等人在小流量工况下 采 用p d p a 对离心叶轮内部流场进行了测量和分析 哈尔滨工业大学王磊等人采用 相位多普勒粒子分析仪对复杂结构形成的多重旋转气固两相流进行了试验研究 得 出了旋流流场中气固两相的速度 湍动能 颗粒粒径及浓度的分布规律 3 1 4 2 从国外已发表的学术论文可知 目前主要是运用p d p a 研究各种喷雾 喷射等 4 江苏大学硕士学位论文 气固 气液两相流的研究 如在第1 2 届应用流体力学激光测量技术国际会议上 英国学者c r u ac 和m r h e i k a l 运用p d p a 光学检测技术研究了柴油机内提高缸壁压 力后的喷射模型 德国学者d a m a s c h k en 等人对喷嘴特性以及喷雾场进行了测量和 分析 g i i n t e rb r e r m 等进行了气泡柱中气液两相流动的研究 通过测量气液两相 的滑移速度来揭示离散相具有浮力时两相流系统中的动力学行为 s g e i s s 等运用 p d p a 研究了垂直扩散管内气固两相流动中离散相对连续相湍流特性的影响 并以 此为根据进行了湍流模型的修正 b l a c kd a v i dl e e m a r d s o no m c q u a y 详细研究了 在气固两相旋流的p d p a 测量中 颗粒形状对颗粒动力学特性的影响 认为颗粒形 状对其湍流特性有较大影响 m m 1 s m a i l o v 等综合运用l d v p d p a 高速数码摄 像技术对高压燃料喷嘴及旋涡喷射进行了瞬态测量 t a og u o 等认为p d 鲋浓4 量系 统能很好地研究水平加热管中液滴动力学及传热机理 v a o a n j o r i n 等对美国t s i 公司生产的p d p a 系统软件中将所测得的颗粒流信号强度转换为质量浓度的算法 进行了分析与讨论 4 3 4 9 1 从以上学者运用p d p a 进行两相流及旋转机械内流测试的实验研究工作中可 以看出 该技术主要应用于对气固 气液两相流的研究 对液固两相流的测量几 乎没有 对旋转叶轮机械内部的液固两相流动的研究更是少见 所以对这方面的 研究具有一定的学术价值 1 2 2 2 数值计算方法 数值模拟方法是研究流体机械内部流动的有力工具 随着计算机科学技术的 飞速发展 以及流动计算模型和数值求解技术的不断完善 数值计算越来越受到人 们的重视 它可以模拟流场的情况 指导流体机械的设计甚至预估性能 目前的 流场计算是基于n s 方程的清水及两相流场计算 通过建立模型来封闭n s 方 程 然后用数值的方法离散求解方程得到流场情况 对离心泵的压出室计算 大多 建立在标准的k o e 双方程紊流模型基础上 求解二维或三维的不稳定 不可压缩 流场 1 数值计算物理模型 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 5 0 1 第1 类方法是将每一相 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 5 江苏大学硕士学位论文 质或拟流体 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i s l l 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间相互作用 第2 类方法把流体 液体或气体 当作连续介质 而将颗粒视为离散系 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 5 2 1 该模型用完全弹性 碰撞模型或颗粒离散单元法处理密相液固两相流中颗粒间相互作用 i s l f i i d r e w d e l h a y e 刘大有等人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 群运动的概貌 5 1 5 8 1 2 数值计算具体方法 随着计算技术的发展 计算机性能的提高 计算方法的不断改进 计算流体 力学 c f d 己成为建立在经典理论和实验流体力学基础上的一门新型独立学科 在两相湍流的数值计算方面 与单相流类似 目前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 时均方程的模拟方法等 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 i a n 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 进行这一研究的有 o u n i s m c l a u g h l i n s q u i r e skd 等人 5 9 6 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 该方法可以适用到较高 的r e y n o l d s 数和较复杂的几何结构流动 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 6 江苏大学硕士学位论文 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 用其它模型封闭 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 6 2 6 3 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k 一 双方程模型及其修正模型如r n g k s 模 型等是目前工程上应用最广泛的一类模型 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k 的输运方程模型 该模型与气相k 一占 一起构成了k g k 模型 明 1 2 3 离心泵压出室研究现状 压出室是离心泵的主要过流部件 其由两个部分组成 第一部分是螺旋体 第二部分是扩散管 压出室主要作用是将叶轮中流出的液体收集起来 并送往压 力管路或下一级叶轮的吸入口 在将液体送往压力管路或下一级叶轮前 要求离 心泵压出室消除液流的旋转运动 并将旋转动能转化为压能 同时 要求降低液 流的流速 以减少压力管路中的水力损失或适合下一级叶轮吸入口的要求 由于 压出室内部液体的流速很大且不均匀性及其粘性的存在 所以其内部存在很大的 能量损失 约占整个水泵水力损失的一半左右 6 5 1 另外 压出室内部流动还影响 叶轮周围的压力分布 产生径向力 影响泵运行的可靠性 故国内外学者对其水 力性能和内部流动都进行了深入的研究 其研究主要从实验测量 数值计算及理 论分析等几方面进行 目前 对压出室的具体研究主要集中在以下四个方面 1 通过实验测量对各种类型和用途的压出室内部流动状况进行深入细致的了 7 江苏大学硕士学位论文 解和研究 以期正确揭示其特殊的流动结构和现象 2 以实验研究为基础 对压出室内部流场进行数值模拟 主要集中在如何更 全面地反映其结构和内部流动的特点 以及不断提高数值模拟的准确性 3 以实验和数值计算为基础 从理论上分析压出室内部的流动机理 4 在对内部流动机理进行了解的基础上 找出不同类型压出室的切合实际的 流动损失模型 从而改进压出室的设计方法 提高压出室的设计水平 进而提高 流体机械的整体性能 v a nd e nb r a e m b u s s c h e h a n d e r 6 6 1 利用激光多普勒测速仪 l d v 分别测量了 设计工况下离心压缩机压出室内的旋涡流动 发现靠近壁面处有恒定的旋涡速度 和压出室横截面中心处的强制型旋涡速度分布 e l h o l m e a y d e r t 6 7 等利用激光多 普勒测速仪对设计工况和非设计工况下的离心泵压出室进行测量 也发现压出室 内的旋涡具有强制旋涡型的速度分布 旋涡的中心位置随着质量流量的不同而发 生改变 在主流速度和旋涡速度之间发生了很强的相互作用 同时他们采用流动 可视化的方法研究了隔舌部分的流动状况 发现随着质量流量的增加 隔舌附近 出现速度回流 d o n g r 删等人采用l d v 测量一个离心泵在不同的叶轮叶片安放 角 不同的流量工况下 蜗壳内速度场 实验观测到流道内水流的脉动并发现脉 动受叶片和隔舌的相对位置的影响 在靠近叶片区的流动主要是射流 而靠近蜗 壳出口的地方常常会因为流量的不同而产生回流现象 远离隔舌的区域周向速度 基本上符合k 1 r 的分布 在数值计算方面 目前离心泵压出室的内部流动的计算有层流模型和紊流模 型两种 且大多采用与叶轮耦合计算 k e l d e r 6 9 1 等人在设计工况下测量并计算了低 比转速离心泵压出室内的流动情况 测量其内部流体时均速度和压力 数值计算 采用非定场三维势流模型 考虑到流体粘性的影响 使用了粘性水力损失模型来 估算压出室水力损失 y a s u s h i 7 0 1 等人对一个螺旋型叶轮的泵进行数值计算 耦合 计算了叶轮 蜗壳和顶端间隙的内部三维流场 在考虑叶轮和压出室的相互影响 方面 计算种采用了一个商用程序 瞬时滑移界面 它是 种约束条件 在计算 中保证在每一个时间步长中将蜗壳和叶轮的计算数据相互传递同时保证流量和动 量的守恒 c r o b a 和k u e n y l 7 l 采用二维边界元的方法计算了叶轮和压出室内的二维 非定场不可压理想流体流动 ea y d e r rv a nd e nb r a n e m b u s s c h e t 7 2 1 在实验工作的 8 江苏大学硕士学位论文 基础上 利用四边形单元对各横截面进行离散 截面与截面之间用六边形单元连 接 采用中心差分和四阶龙格一库塔时间步长法 并且考虑带有内部剪切力和壁 面摩擦力而产生的损失的影响 并将数值模拟的结果与实验结果进行对比 两者 在压力和速度分布上都比较吻合 国内许多学者在离心泵压出室的实验和数值计算方面都进行了研究 李文广 7 3 利用l d v 测量了离心泵在最优工况 小流量及大流量工况下 压出室第 和 端面内的紊流时均流场 发现圆周分速度的变化主要集中在叶轮出口附近 端 面内有旋涡区 旋涡区的扩大 消失与工况和端面位置有关 另外 张武高 7 4 j 用 等速度系数法设计了矩形断面离心泵压出室 在压出室侧面沿圆周方向测量了各 种流量下中轴垂面上的压力分布 并通过l d v 测量了不同流量下压出室内的速度 场 结果发现在离心泵小流量工况时 压出室内液流方向的压力分布呈现出由大 变小再变大的规律 大流量工况时 压出室内压力分布的 降速扩压 特征明显 李文广 7 5 等利用l d v 分别测量了离心泵最优工况和小流量工况下矩形断面压出室 内三个断面的清水和粘油平均流动 试验表明 压出室内部液体绝对速度的圆周 分速度比径向分速度大一个数量级 压出室断面内存在旋向相反的一对旋涡 液 体粘性越大 压出室内部流动越不均匀 压出室断面内流体角动量不守恒 最优 工况和小流量工况时 压出室内部流动都是扩散流动 从而导致回流现象 液体 粘性越大 流动扩散越小 郭鹏程 7 6 等根据离心泵通道的几何和流场特点 探讨 了离心泵叶轮过流通道结构化多块网格划分中的一些处理方法 同时求解三维时 均n s 方程 并采用 冻结转子法 处理叶轮与蜗壳间动静耦合流动的参数传递 和相互干扰问题 并对某一设计工况下离心泵内的全三维紊流场进行计算 捕捉 到了离心泵叶轮内 叶轮与压出室间及压出室内的压力分布 速度分布和旋涡的 结构与演化特征等重要流动信息 结果表明 该方法能够较为准确地预测出离心 泵叶轮与压出室间及内部的流动特性 朱海燕1 7 h 在一元流动的基础上 根据蜗壳 式压出室的结构特点 对其中的液体流动的物理过程和造成的水力损失进行了分 析 并导出了部分计算模型 曹树良 7 嚣j 等基于标准的k 一占双方程紊流模型 采用 s i m p l e c 算法 在贴体坐标系下 通过求解三维n s 方程 对一离心泵压出室内 部流动进行了数值模拟和分析 得到内部流动的主要特征 研究表明 按常规水 力设计方法设计的压水室 在压水室径向断面内存在明显的二次流 速度矩也有 9 江苏大学硕士学位论文 明显的梯度 从而导致压水室损失较大 1 2 4 本章小结 压出室内部的流动是复杂的三维流动 叶轮与压出室相互影响 叶轮出口流 场影响其内部的流动状况 而压出室也给叶轮造成了特定的边界条件 压出室周 向以及横截面的压力分布会强烈干扰叶轮流道的流动情况 同时 叶轮出口的不 稳定紊流和周向不均匀射流使得压出室周向以及径向压力分布很不均匀 隔舌附 近尤为严重 减轻这种不均匀性无疑会使叶轮机械的性能为之改善 通过对相关文献检索发现 国内外对离心泵压出室的研究均集中在内部单相 或两相流场的实验和数值计算研究方面 得出的结论均为不同压出室形式对内部 流场的影响及叶轮与压出室之间相互耦合计算的关系 其中也有少量论文讨论输 送介质的流量及介质的粘性对离心泵叶轮及压出室内部流场的影响 以及关于压 出室和叶轮的优化设计 对于伴有盐析的两相流文献的检索发现 结盐与流动关系的研究报导仅局限 于明渠和管道流动中初步的实验研究或简单分析 防结盐措施也仅局限于化工领 域的催化装置分馏塔内和油田开采的油井中 对于结盐机理的研究也都集中在化 学领域 基本不涉及结盐与流动之间的相互关系 在叶轮机械输送盐溶液过程中 出现的结盐问题 很少有从结盐与内部流动之间的相互关系 相互作用这个方面 来分析 1 3 本文研究的内容及意义 在总结上述国内外关于结盐机理 管内流动 离心泵压出室内部速度及压力 分布的实验及数值分析的基础上 提出本文研究的内容及目的意义 1 3 1 研究主要内容 本文是国家自然科学基金资助项目 叶轮机械内伴有盐析的液固两相流动的 研究 n o 5 0 4 7 6 0 6 8 研究工作的一部分 本文针对管道及叶轮机械输送盐溶液过程中 温度及流场引起的结盐问题 研究离心泵压出室及管内流体流动参数与结盐速率之间相互作用的关系 选用工 业上常使用的硫酸钠溶液作为研究介质 运用相位多普勒粒子分析仪 p d p a 对 1 0 江苏大学硕士学位论文 不同温度下矩形管内层流状态下的盐析流动进行了测量 获得盐析两相流动中液 相及颗粒相的速度分布 粒径大小及浓度分布 同时 选用合理的两相流计算模 型对离心泵压出室进行数值模拟 运用图像粒子测速场仪 p i v 对其内部液固两 相流场进行实验研究 并将结果与计算值对比分析 本文研究的具体内容如下 1 采用p d a 对矩形管道内部伴有盐析的液固两相流动进行测量 获得层流 状态下 不同雷诺数以及不同温度时 较为精确的速度分布 粒径分布 浓度分 布等 2 以现有的运用传质微分方程求解层流问题的理论为基础 研究常物性条件 下 层流状态下的结盐与温度 温度梯度 速度 浓度之间的关系 得出层流状 态下的结盐规律 3 运用p i v 对离心泵压出室及出口管内特定湍流状态进行流动参数的测量 分析流动参数与结盐的关系 探索其内部真实的流动规律 4 结合实验结果 运用f l u e n t 计算软件 对离心泵压出室内液固两相流进 行数值计算 对比分析实验和计算结果 1 3 2 研究的目的及意义 本课题所从事的流动与结盐方面的研究工作 是将传热 传质理论应用到传 统的两相流理论中去 通过学科交叉研究以了解结盐的机理 结盐与流动的相互 关系 有结盐现象存在时叶轮机械内部流动规律以及具有化学反应的管内及压出 室内部结盐机理等 研究的大方向就是伴有盐析的二相流动或多相流动 而非化 学化工学科所研究的微观晶体生长过程或晶体生产过程 本课题通过运用先进的实验仪器对管道及离心泵压出室内部伴有盐析的液固 两相流场的测量和分析 得到其内部真实流动情况 从而为带有盐析的液固两相 流的进一步研究提供理论依据 为国民经济的相关部门采取防结盐措施提供一定 的参考 1 1 江苏大学硕士学位论文 第二章盐析过程基本理论 研究盐析过程涉及众多基础理论知识 包括晶体成核及生长理论 液固两相 流动理论 化工传热传质理论 化学分析及分形理论以及其他相关的实验研究理 论等 对于管内及离心泵压出室内盐析流动的研究 其中最主要的是晶体成核及 生长理论 液固两相流动理论 本章主要从晶体成核及生长理论出发 简要分析 并选择合适的晶体成核模型 为下一步盐析实验结果的分析及管内盐析流动数学 模型的建立作准备 2 1盐析晶体生长基本理论嘲 嘲 经典动力学相变理论的主要内容认为 晶体生长是旧相 亚稳相 不断转变 成新相 稳定相 的动力学过程 或者说就是晶体核不断形成 形成的晶体核不 断长大的过程 伴随这一过程而发生的则是系统的吉布斯自由能降低 其宏观上 表现为结盐晶体的生长基元在生长介质中的输运 在盐析晶体表面的运动与结合 以及盐析晶体生长表面的不断推移 而盐析晶体的成核 生长 演化就属于这种 过程 2 1 1 盐析晶体生长的基本条件 一般说来 晶体生长是一种多元复相系的化学反应过程 该反