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变曲率流道内固液两相CFD-DEM方法及在大型脱硫泵中的应用

李亚林  
【摘要】:本文的研究是在国家科技支撑计划项目“典型离心泵关键技术研究及工程示范应用”(No. 2011BAF14B00)和江苏省科技支撑(工业)计划项目“火电厂大型系列烟气脱硫吸收塔循环泵关键技术开发与应用”(No. BE2011141)的资助下开展的。脱硫泵是烟气脱硫装置的核心设备,由于其输送介质中含有石灰石等固体颗粒,存在磨损和效率低等关键技术问题。为了更好地了解两相流泵的内部流动问题,本文对两相流泵常用的叶片型线进行深入研究,结合管道分析方法研究叶片型线的变曲率对固液两相流动的影响,分别借助粒子图像测试技术(P1V)、数值模拟技术(CFD)、高速摄像技术(HSV)和离散单元法(DEM)等研究了不同形式的变曲率流道内固液两相的流动,并把部分研究成果应用于大型脱硫泵中,为大型脱硫泵的关键技术设计提供理论依据。本文研究的主要工作和创造性成果如下:(1)总结了固液两相流泵的研究现状,发现改善泵内固液两相流动是消减颗粒磨损和提高效率的根本途径;归纳了固液两相流的数值模拟研究现状,介绍了在岩土力学方面应用的离散单元法(DEM),建议在固液两相流泵应用领域内引进先进的DEM方法;对旋转机械内部流动研究现状进行了总结,发现旋转与曲率是影响叶轮内部流动的主要两个因素,提出参照涡轮机、压缩机等对叶轮内各种弯曲流道进行简化对比研究,选取影响因素之一的曲率作为本文重点研究对象。(2)首次结合固液两相流泵的叶片型线和管道设计方法,深入研究叶片型线的变曲率流道对固液两相流动的影响。基于解析几何方法分别设计了三种叶片型线:双圆弧线、变角螺旋线和渐开线,对比了三种型线的曲率比和安放角规律;利用PIV技术分别测试了三种变曲率流道内沿主流方向的瞬时速度,并对比分析了其平均轴向速度、总剪切力、速度的均方根值和涡量等。结果表明:三种型线由于曲率比的不同使得各个物理量的分布规律均有所差异,总体而言曲率比变化规律相似的变角螺旋线和渐开线的分布规律接近,而双圆弧内各物理量的分布与另外两个型线存在差异,主要表现在物理量的大小分布方面。(3)采用CFD方法首次分析了三种变曲率流道内二次涡在整个弯曲段的发展机理,分别研究了曲率比Cr、面积比Ar和雷诺数Re对二次涡发生发展的影响,并建立了一种准确判读涡核位置的方法,然后对比了三种分析De不稳定流的方法判读不同De涡的优势,统计分析了不同条件下不稳定涡发生情况。结果表明:变曲率流道出现基本涡、角涡、曲率涡和分离涡外还有一种新涡-卷吸涡;曲率比影响涡相关物理量的大小,而面积比影响到涡的结构和形成机理;雷诺数影响具有无量纲相似规律,但是当雷诺数减小到一定程度会引起De不稳定现象;轴向速度的径向梯度有利于判定分离涡,而壁面压力梯度则更适合判定曲率涡。(4)利用高速摄影技术(HSV)研究了不同属性颗粒在变曲率弯管内的流动规律,基于Fortran语言开发了一套处理颗粒轨迹的程序对颗粒随机结果进行了统计分析。首次采用离散单元法(DEM)和CFD耦合技术研究颗粒在变曲率流道内的流动,并与PIV试验和HSV试验结果进行对比,分别验证了网格类型、湍流模型、颗粒受力模型和曳力模型等对DEM-CFD耦合模拟的影响,基于该方法并结合HSV试验研究了颗粒属性、曲率比Cr、面积比Ar和雷诺数Re对单颗粒运动规律的影响,然后对变曲率流道的稀相固液两相水力输送也进行了数值模拟,并对仿真结果进行了概率统计分析。研究结果表明:体网格对CFD-DEM耦合具有网格单元数量少的优势;湍流模型对颗粒轨迹和速度分布影响不大,但是对颗粒滑移速度和沉降速度影响较大;流体对大颗粒的作用力可以主要考虑曳力和压力梯度力的影响;双向耦合时Gidaspow曳力模型与HSV试验接近,而单向耦合时Schiller-Nanumann曳力模型较好;相比曲率比Cr,面积比Ar对颗粒影响较大,而无论是单颗粒还是稀相多颗粒,雷诺数对颗粒的影响表现出无量纲相似性,可以用来初步判断发生De不稳定流动现象。(5)在大型脱硫泵中首次应用CFD-DEM耦合方法研究固液两相流动,同时在脱硫泵研究中引进体网格技术和管道的二次流分析方法,分析了脱硫泵叶轮和蜗壳内的主流和二次流,并对比研究了颗粒的属性、脱硫泵的流量和转速对脱硫泵内颗粒流动的影响。结果表明:引进体网格技术使得大型脱硫泵内应用DEM方法得以实现,节约了大量的计算时间;脱硫泵内各种流道的主流和二次流分布较复杂,无量纲规律不明显;对断面颗粒在仿真时间内的统计结果表明颗粒的密度和直径影响具有相似性,其本质影响是颗粒的质量;颗粒的分布与断面二次流有关;颗粒随泵流量和转速的变化而变化,在不同转速的相似工况下颗粒也呈现出相似分布。本文对变曲率流道内固液两相的CFD-DEM研究,为大型脱硫的设计提供了参考和指导。


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