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离心泵输送大颗粒时固液两相流场的数值计算

夏密  
【摘要】:固液两相流离心泵在实际应用中由于其输送介质存在固体颗粒导致离心泵运行时效率低,而存在的颗粒磨损问题会导致离心泵运行可靠性差。目前关于固液两相流泵的研究虽然较多,但是由于固相颗粒参数的不同,加上离心泵内部流道以及两相湍流的复杂性,使得固相颗粒运动规律、离心泵磨损机理至今还不能很好地被揭示。因此对固液两相流泵的内部流动进行深入研究,为设计出可靠性高、运行效率高、磨损性能好的泵提供理论参考非常必要。本文以一台M196-100固液两相流离心泵为研究对象,分析其在输送大颗粒过程中颗粒在流场中主要受力,根据计算中需要考虑的体积力,确定颗粒运动方程。应用离散相模型(DPM)及RNG k-ε湍流模型对固液两相流场进行数值计算,分析离心泵内部流动特性以及各过流部件的磨损性能,以下为主要的研究内容及结果:1.对离心泵流道利用Pro/E软件进行三维建模,然后使用Gambit对流道模型进行网格划分,最后利用CFD软件Fluent对离心泵进行了单相清水介质的数值计算,并将得到水力扬程、效率的结果与实验扬程、效率对比,通过数值结果与实验值的对比,验证了计算模型在数值模拟中的可靠性;2.为研究随着颗粒直径增大,颗粒的体积效应增大时附加质量力对离心泵内部两相流场以及颗粒运动规律的影响,对不同直径的颗粒,针对引入附加质量力与不引入附加质量力两种方案,对固液两相流泵进行非定常数值计算,对比两种方案下泵内部流场以及固相运动规律的变化情况,得到需要考虑附加质量力的颗粒直径。颗粒直径大于5mm后,附加质量力对颗粒运动速度、颗粒雷诺数和两相滑移速度都产生了影响。3.针对需考虑附加质量力的颗粒,对离心泵内固液两相非定常流动进行计算,获得不同颗粒直径、颗粒体积分数以及不同体积流量的数值模拟结果,研究不同工况下内部流动特性以及各过流部件磨损速率随固相参数的变化规律。研究结果表明叶轮和蜗壳内离散相浓度分布随直径增大的变化规律不同,叶轮流道内离散相浓度随直径增大而增大,蜗壳流道离散相浓度随直径增大减小。固液两相流泵叶轮流道磨损比蜗壳流道严重,叶轮流道磨损最为严重的部位是叶轮出口压力面与后盖板交界位置,且此处颗粒聚集度也较高。


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