固液两相流离心泵破坏机理及其防治技术综述

对固液两相流离心泵叶轮破坏机理研究现状进行了归类综述，对各种防护措施进行了总结，并提出了进一步研究的内容和方向。     

离心泵叶轮输送固相颗粒的数值模拟研究

为了研究不同固相体积浓度条件下固液两相流离心泵内流场的流动规律.应用Fluent软件对离心泵叶片流道进行流场模拟,在多重参考系坐标下,采用有限体积法对雷诺时均N-S方程进行离散,选用标准的κ-ε湍流模型和SIMPLEC算法进行求解,分别得出在不同固相体积浓度时叶片流道内固相浓度、速度和压力分布规律,对其进行分析和比较.模拟结果表明:在叶片的非工作面和入口处浓度差较大,造成流动效果降低;叶轮内部速度随着固相浓度的变化基本保持不变;叶片进出口总压差随着固相体积浓度的增加而增大.所得结论对于指导实际应用和为两相流离心泵的优化设计提供参考.     

固液两相流离心泵磨损机理和叶轮的设计

本文研究了固液两相流离心泵磨损机理，指出离心泵内叶轮出口附近的射流 尾流结构是离心泵内的局部磨损的重要原因。理论分析、试验结果及工业应用表明：采用小叶片出口角β2、少叶片数Z和大出口宽度b2的叶轮能减轻泵的磨损。     

两种叶型离心泵内固液两相流场的对比

为了研究分流短叶片离心泵内固液两相流场的运动规律,应用Fluent软件分别对分流短叶片离心泵和原型离心泵进行固液两相流场的数值模拟,在多重参考系坐标下,采用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行离散,选用标准的k-ε湍流模型和SIMPLEC算法进行求解,得到两种不同叶型离心泵内固相浓度、速度等参数的分布和变化规律,并对其结果进行比较和分析。模拟结果表明:在输送相同初始固相体积浓度时,分流短叶片离心泵内固相浓度分布均匀性明显高于原型离心泵;对于分流短叶片离心泵,流道内固相颗粒浓度分布均匀性随着初始固相体积浓度的增大而减小;分流叶片离心泵内速度等值线基本与叶型平行,减小了流动损失。采用分流短叶片,对于改善离心泵内流动状态,减小流场脉动,降低冲击损失和叶片磨损具有重要意义。所得结论对于指导实际应用以及为分流短叶片固液两相流离心泵的设计提供参考依据。     

曝气池中气液两相流数值模拟

应用数值模拟的方法,对曝气池气液两相流运动规律进行了探讨。研究表明:当孔径相同,空气流量越大,紊动强度越大,气液混合越充分,曝气效果越好。对于相同的水深和相同的孔径,流量是影响气泡大小和速度的主要因素。当气体流量或速度增加时,气泡体积增大,气相速度也明显增大。     

固液两相湍流和颗粒磨损的数值模拟

基于两流体模型，建立了固液两相流中更一般的Ｋ－ε双方程湍流模型，模化了固相和液相的连续方程，动量方程及Ｋ方程和ε方程，在这些模化方程中，考虑了固液两相间的滑移，颗粒间的作用及相间作用，使用本文所建立的流模型和粒磨损模型，可 液两相湍流中的流动特性和颗粒对过流部件的磨损率，本文给出了一水轮机导叶在含沙水流中的过流特性及磨损情况的数值模拟，预测结果与实验结果比较一致。     

两相流动中流固两相耦合阻力的数值估计

本文从纳维-斯托克司方程出发,用有限差分法计算粘性流体绕三维均匀正方排列无穷球点阵的流动,以图估计两相流动中颗粒体积率和颗粒雷诺数对颗粒阻力的影响。计算中使用了贴体坐标数值网格生成方法。计算结果和实验结果、经验公式作了比较。考虑到真实两相流动的复杂性及本文采用的力学模型的理想性,可以认为两者吻合较好。     

基于流固耦合及Kriging模型的离心泵叶轮优化

为提高离心泵叶轮的水力效率及结构性能,提出了流固耦合仿真技术与代理模型相结合的优化设计方法。通过均匀试验设计与CFD/CSD单向耦合仿真获得了样本数据,进而运用Kriging方法,分别建立离心泵叶轮效率、离心泵叶轮最大变形、离心泵叶轮最大应力与影响因素之间的代理模型。在此基础上,采用SQP算法求解以水力效率最大为目标函数,且考虑了离心泵叶轮的强度和刚度约束的优化模型。将该方法用于某离心泵叶轮的优化设计,结果表明取得了很好的效果。     

离心泵叶轮内部流动数值解的评价

在贴体坐标系下，采用有限差分法计算了一个用激光测速计(LDV)测量过的实验叶轮内部无粘性流动。计算表明，在最优工况数值解与LDV测量值最大相对误差为17%，最小相对误差为2.7%，平均相对误差为11%.这一结果说明在最优工况，叶轮内部无粘性流动的数值解与实验得到的粘性解比较接近。因此采用叶轮内部无粘性流动模型和贴体坐标下系的有限差分法来进行离心泵叶片准三维反问题设计有较好精度。     

离心泵叶轮内部清水流动实验研究

利用二维激光测速计测量了小出口角离心泵输送清水时最优和小流量工况叶轮内部流动.实验表明，在叶片吸力面没有很宽的尾流，压力面也不存在射流，叶轮内部流动与射流/尾流模型不符合.     

空化对轴流泵叶轮能量转化特性的影响

为了研究轴流泵空化对叶轮内部流动特性以及能量转化特性的影响,结合SST CC k-ω湍流模型与均相多相流模型对轴流泵进行了非定常空化计算。结果表明:随着有效汽蚀余量的逐渐降低,轴流泵内空化体积分数逐渐增加,诱导叶片表面出现侧向射流与漩涡等不良流态,对叶片出口流场的均匀性产生不良影响;自叶片进口至叶片出口,空化区域内的液体相对速度较未空化时增大,绝对速度与静压较未空化时减小。沿轴向,在无空化与空化初生时,动静扬程先不发生变化,随着泵进口压力逐渐降低,当有效汽蚀余量a=5.33 m时,静扬程不变而动扬程出现小幅增加,泵的水力性能出现小幅上升;在a=4.71 m时,静扬程下降且下降幅度高于动扬程上升幅度,泵扬程效率明显下降。随着空化程度的进一步增大,动静扬程继续下降,轴流泵水力性能急剧下降。     

离心叶轮的叶片数效应研究

叶轮叶片数是离心叶轮的一个重要结构参数,对叶轮外特性与内流场特征都有着直接的影响。利用计算流体动力学软件,生成了叶片数分别为5和6的2个叶轮,然后在相同工况下,计算了这2个叶轮的内外力学性能;通过对2个叶轮的流量-扬程、流量-效率曲线及叶轮内压力、相对速度进行比较,分析了不同叶片数对叶轮性能产生的影响及其成因。比较分析结果有助于设计人员深入了解不同叶片数叶轮的不同流动机理,并可为他们在设计实践中正确选用叶片数提供参考。     

离心泵输送粘油时叶轮内部流动模型

利用二维激光测速测量了离心泵输送粘油时最优和小流量工况下大出口角小包角叶轮内部流动。试验表明，在叶片吸力面存在已经分离的尾流，压力面不存在射流，叶轮内部流动与射流／尾流模型不符，尾流宽度与工况有关。     

湍流流动计算在管道式离心泵性能预测中的应用

本文在双参考系下,选用标准κ-ε湍流模式,利用有限控制体积法对雷诺平均Navier-Stokes方程进行数值离散,采用Simple方法求解,对实际的管道式离心泵产品在不同工况下进行了三维粘性数值模拟。根据数值模拟的结果,分别分析了泵吸水管、叶轮和涡壳内的压力分布和速度分布,计算了泵的扬程、轴功率和效率,并与试验进行了对比,验证了计算方法的可行性。本文的工作对离心泵性能预测和优化设计具有重要意义。     

悬沙淤积问题的湍流液固两相流动的数值模拟

本文从湍流两相流动基本理论出发，建立了挟沙水流的湍流液固两相流动的时均方程组和封闭模型．结合实际工程建立了定常悬沙淤积的二维水深平均的全场模型以及准三维模型．数值预报与潮汐水流物模试验比较表明：二维水深平均的全场模型模拟所得回流区内旋涡外缘的悬沙淤积量大于涡心处的悬沙淤积量，这一数值预报结果与物模试验结果不符，说明二维水深平均全场模型不适宜于预报悬沙淤积；准三维模型模拟所得回流区涡心处的悬沙淤积量大于旋涡外缘处悬沙淤积量而且回流区中的悬沙淤积厚度的数值预报结果与物模试验结果比较接近，这说明准三维模型用来预报回流区的悬沙淤积是可行的．     

离心叶轮内宾汉流体的密相两相湍流数值模拟

阐述了宾汉流体控制方程的特点,首先对单相的宾汉流体与密相液固两相流进行了计算,计算结果与实验数据吻合较好。其次对离心叶轮内的含颗粒的宾汉流体的两相流动进行了计算,从进口到出口,宾汉流体的速度是减小的,压力随半径增大逐渐升高,而且压力面上的压力大于吸力面上的压力。吸力面上的颗粒拟温度小于压力面上的颗粒拟温度,而且靠近壁面处的大于叶道中的。从减轻叶片磨损角度来讲,双圆弧型线比单圆弧的好,叶片出口角小的比出口角大的好。最后比较了液固两相流与含颗粒的宾汉流体的两相流的流动,颗粒拟温度有较大差别。     

稀相固粒在离心泵轮中的运动实验研究和数值分析

利用高速摄影对离心泵叶轮中固体颗粒运动规律进行了试验研究，并与数值计算结果作了比较，两者吻合很好，研究结果表明，固本颗粒的密度、粒径、叶轮的转速和叶片角对颗粒运动均有明显影响，该成果以墩心式渣浆泵设计有指导意义。