离心泵气液固多相流动数值模拟与试验-付强(完整版)实用资料.doc
《离心泵气液固多相流动数值模拟与试验-付强(完整版)实用资料.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《离心泵气液固多相流动数值模拟与试验-付强(完整版)实用资料.doc(25页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、离心泵气液固多相流动数值模拟与试验_付强(完整版)实用资料(可以直接使用,可编辑 完整版实用资料,欢迎下载)离心泵气液固多相流动数值模拟与试验付强,袁寿其,朱荣生,陈景俊,王秀礼(江苏大学流体机械工程技术研究中心,镇江212021摘要:为研究离心泵输送含有气固液多相时内部的流动情况,采用Pro/E三维造型软件进行几何造型,基于ANSYS CFX软件应用雷诺时均方程、双方程湍流模型,并结合SIMPLEC算法对其内部三维气固液多相流各相流动规律进行数值计算,将计算结果与试验结果进行对比结果表明:受气相所产生旋涡的影响,固相体积分数在径向量纲位置r/R2为0.4时达到最大值后直线急剧下降,下降至一定
2、值后开始波动变化,而气相体积分数在径向量纲位置r/R2为0.4时较小,从径向量纲位置r/R2为0.4以后急剧增大。气、固两相互相影响对方颗粒的分布。气相主要集中在叶片工作面的中间位置,气相的存在使叶轮流道内产生旋涡,影响叶轮流道内的能量交换与传递;固相在没有旋涡的流道内是紧靠叶片表面运动的,在有旋涡流道内主要是随着旋涡旋转方向进行流动,固相所占比值的增加对流动轨迹的影响并不明显。对气液固多相流的深入研究和应用提供了有价值的参考。关键词:离心泵,多相流,叶轮,数值模拟,试验中图分类号:TH311文献标志码:A文章编号:1002-6819(2021-14-0052-06付强,袁寿其,朱荣生,等.离
3、心泵气液固多相流动数值模拟与试验研究J.农业工程学报,2021,28(14:52-57.Fu Qiang,Yuan Shouqi,Zhu Rongsheng,et al.Numerical simulation and experiment on gas-liquid-solid multiphase flow in centrifugal pumpJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE,2021,28(14: 52-57.(in Chinese wit
4、h English abstract0引言在农业、矿山、电力、污水处理及化工等行业中大量的离心泵所输送的介质是含有水、固体颗粒和少量气体的多相混合物,如浆体管道输送中的加气减阻、凝结水循环、流程物料流动、液态排渣、浮选矿浆、纸浆循环等均是含气两相或含气三相流。气相以溶解再挥发、化学反应释放、起跑作用、系统漏吸气等多种形式混入被循环的流体中,从而严重影响离心泵的正常运转。由于多相流动理论的复杂性,其设计理论很不完善,在工程中多数的设计基本上还是采用常规的清水泵设计方法加以修正来进行设计,以至于所设计泵的性能和运行稳定性都得不到有效保证,为了能设计出满足实际工况运行需要的多相流离心泵应先了解离心泵
5、内部的流动变化规律后根据实际情况指导工程设计。多相流动理论包括固液两相流、气液两相流及气固液多相流等方面。针对固液两相方面的研究主要有吴春笃1等利用FLUENT软件对旋流分离器进行数值模拟;收稿日期:2021-09-14修订日期:2021-06-29基金项目:国家杰出青年科学基金(50825902,国家科技支撑计划项目(2021BAF14B04,江苏省自然科学基金项目(BK2021504,江苏高校优势学科建设工程资助项目作者简介:付强(1975-,男,黑龙江宝清人,助理研究员,博士,主要从事流体机械内部流动研究。镇江江苏大学流体机械工程技术研究中心,212021。通信作者:王秀礼(1982-,
6、男,山东烟台人,博士生,主要从事流体机械设计和试验方面的研究。镇江江苏大学流体机械工程技术研究中心, 212021。Email:jsuwxl163 刘栋等2、杨敏官等3、袁寿其等4、李斌等5对特殊用途离心泵内部三维固液两相湍流数值模拟分析,获得了内部流动规律;潘中永6等分别对搅拌罐内的浆体两相流进行了研究。在气液两相流方面的研究主要有Hazra7采用雷诺时均方程和混合长度模型模拟连续相、拉各朗日方法模拟分散相,对泵内的稀疏两相流进行了研究。Jose8采用基于离心泵叶轮内气泡受力分析的数值模拟技术,对离泵抽送气水混合物进行计算,并与试验结果对比,给出两相流条件下的扬程损失,也得出了气泡尺寸与气泡
7、体积分数之间的影响关系;Francois等9在专用试验台架上对不同设计轴流式离心泵模型进行测试,为高效分离和抽送轴流式离心泵的关键设计和运行参数提供了依据,发展了轴流式离心泵的理论模型,并应用于气油两相流的抽送;黄思10探讨了气液两相介质在螺旋轴流式叶片泵内的流动规律。谢鹏等11通过对气液混输泵的试验研究,分析了含气量和气液混合总流量两个关键因素变化对汽蚀性能的影响;李昳等12对漩涡泵内部气液两相流场进行了数值模拟,初步揭示了该泵内气液两相流动特征;余志毅等13提出了一种气液两相流的压力修正算法,具有较宽的进口含气率适用范围;范丽丹等14对液力耦合器内汽液两相流进行了数值模拟,并对其进行了PI
8、V试验测试;向清江15等采用流体体积函数两相流数学模型,对射流元件稳定附壁情况下二维及三维流场进行数值模拟;李玉龙等16建立了基于油液离心作用的下容积效率、困油区间内含气比和进油侧修正含气比的计算公式;何勇灵17引入基于气泡溶解和析出的物理过程的气泡模型,对柴油机喷油系统分别进行仿真,并与第14期付强等:离心泵气液固多相流动数值模拟与试验研究53试验数据进行了对比。在气固液多相方面的研究较少,且主要是以外特性试验研究为主18-20。而关于离心泵所输送介质内含不同含量的气相和固相对其流动规律影响方面的研究鲜有报道。因此,本研究采用三维数值模拟方法对叶轮内部气液固多相流动规律进行了研究,通过对气相
9、、液相含量变化对内部流动影响的分析,初步揭示了离心泵叶轮流道内部的气固液多相中的固相、气相分布规律,为离心泵叶轮流道内部的气固液多相流流动规律深入研究提供了参考。1数值模拟1.1模型选取选取一单级离心泵作为研究对象,叶轮采用闭式结构,叶片数位6片,设计转速为1450r/min ,设计流量为35m 3/h ,设计扬程为35m ,蜗壳和叶轮的模型构造以及网格生成均由cfx 前处理软件ICEM 进行网格划分,其中网格类型采用的是四面体非结构化网格,叶轮网格数为581014,蜗壳网格数为371367,对叶轮进口段作了延长,也使用结构化网格,网格数为64584。网格划分完后,选取ICEM 中smooth
10、 功能对网格进行光顺。三维网格计算区域如图1所示。 a.计算区域b.计算网格图1计算区域及计算网格Fig.1Computational domain and grid1.2控制方程与湍流模型数值计算基于商用CFD 软件ANSYS CFX ,采用SIMPLE 方法求解三维不可压缩雷诺平均N-S 方程。湍流模型选取标准RNG k-两方程模型,壁面采用无滑移边界条件,近壁区域采用标准壁面函数处理。多相流模型采用Mixture 模型,考虑相间的滑移速度,采用SIMPLEC 算法求解压力速度耦合方程组,计算方法主要为:采用混合模型分别求解混合相的连续性方程、混合的动量方程、混合的能量方程、气相与固相的体
11、积分数方程、相对速度的代数表达。其中混合模型的动量方程可以通过对所有相各自的动量方程求和来获得,离散相与连续相之间的速度滑移采用漂移流量模型。1.3基本假设与边界条件为实现模型气液固多相流的数值计算,作如下假设:1液相为连续不可压缩相,歌相均为离散的不可压缩相,各相的物理特性均为常数;2固相颗粒为球形,粒径均匀,不考虑相变;3泵内流动为定常的,主相为清水,第二相为固体颗粒且为同种颗粒及气泡相。假定进口速度轴向均匀分布,液相、气相与固相均匀分布且速度相等;湍流强度设为5%;出口边界设为自然出流。固壁上速度采用无滑移条件,湍流壁面采用壁面函数边界条件。2结果与分析以固体颗粒直径为0.1mm ,所占
12、比值分别为5%、10%、15%,气泡直径为0.1mm ,所占比值为5%、10%、15%来分析了离心泵叶轮流道内气固液多相流场内部变化规律。运用CFX-POST 软件对结果进行了必要的后处理,获得了所需要的计算结果。2.1气固液多相流中各相的分布规律以设计工况下固相所占比值为10%,气相所占比值为5%为例分析离心泵叶轮流道内多相流场内部变化规律,图2分别为离心泵叶轮流道内的固相、气相及液相体积分数分布云图。从图中可以看出,各相在叶轮流道内的分布不对称,其原因是气相颗粒在进入叶轮流道内是均匀分布的,在进入叶轮流道内受预旋、进口冲角及叶片与隔舌动静干涉的影响,会不均匀地进入到各流道内并聚集在叶片工作
13、面的中间位置。固相进入叶轮流道内受离心力和惯性的影响,开始向叶片工作面和背面方向靠近,并随着气相增大所产生旋涡的运动方向流动而增加该流道内固相体积分数。固相体积分数分布情况如图2a 所示,在叶轮内部叶片工作面附近的固相体积分数明显大于背面的固体体积分数,在叶轮出口处固相颗粒更易于集中在叶片工作面附近。随着叶轮径向位置的增大,叶片背面固相体积分数有所提高,造成这种现象的原因是固体颗粒随液流进入叶轮后,在惯性力的作用下固相颗粒总是力图向工作面靠拢,且固相颗粒的质量越大,在叶轮内相对运动的轨迹包角也越大,则越靠向叶片工作面。在靠近叶轮进口位置的叶片背面固相体积分数较高的原因可能在于部分颗粒进入流道后
14、与工作面发生碰撞,重新回到流道内并有向背面靠拢的趋势,固相颗粒的这种运动规律的结果会加剧叶轮的工作面磨损破坏及增加了摩擦损失。气相体积分数分布情况如图2b 所示,由于气相所比值为5%,所占的比例比较小,因此,在没有固相的流道内主要集中在叶片的工作面且随着叶轮的外径而缓慢增大,而在有固相的流道内气相分散地分布在叶片间的流道内,且在叶片的工作面的中间位置处的气相体积分数最大。图2c 为液相体积分数分布情况,从图中可以看出,液相的变化规律与图2a 和2b 中的气液、固相的变化规律是一一对应的,因此,图2a c 可以完整地反映出叶轮内部各相气体体积分数分布变化情况。2.2气固液多相流中固相与气相的分布
15、规律图3为设计工况下气、固两相所占比值的不同时,农业工程学报2021年54 离心泵叶轮流道内气液固多相流动中固相、气相分布规律,在叶轮进口处,由于边界条件设置为多相速度相同,所以固相颗粒分布还比较均匀,但随着流动的深入,叶轮的作功,固相及气相所占比值逐渐增大。固相体积分数在径向量纲位置r/R2为0.4左右,达到最大值后直线急剧下降,下降至一定值后开始波动变化(图3a 。其原因是在径向量纲位置r/R2为0.4之前的区域内,固体颗粒在离心力与惯性作用下以不规律形式散开;在径向量纲位置r/R2为0.4以后受气相所产生旋涡的影响使固体颗粒在该区域内随旋涡而旋转,使该处气相体积分数达到最大值。从图3b
16、中可以看出,在径向量纲位置r/R2为0.20.4区域内气相体积分数很小,从径向量纲位置r/R2为0.4以后急剧增大后下降,之后又缓慢上升及下降形成另外一个波动。其原因是气相颗粒进入叶轮后经过叶片时,受叶片排挤等因素的影响使该处的流速较高,从而导致经过此处的气相快速向叶轮出口方向移动,等到达一定位置时,受到流速减少及固相颗粒的影响,气相颗粒开始聚集在叶片工作面,从此位置开始气相体积分数随着径向量纲位置r/R2的增大而逐步增大,其最大值处就是图2b 中气相集中区,陡降区域就是图2b 中气相集中区的外缘部分。在气相所占比值为15%、固相所占比值为15%时气体体积分数最大,气相所占比值为10%、固相所
17、占比值为5%时固体体积分数最小,说明气相的增加影响固相颗粒的分布。固相所占比值为15%、气相所占比值为15%时气体体积分数最大,气相所占比值为5%,固相所占比值为5%和10%时气体体积分数最小。说明气、固两相互相影响对方的分布。 a.叶轮流道内固相体积分数分布 b.叶轮流道内气相体积分数分布c.叶轮流道内液相体积分数分布图2叶轮内固、液、气相体积分布Fig.2V olume fraction gas-liquid-solid inimpellersa.固相体积分数变化b.气相体积分数变化图3叶轮流道内固、气相体积分数变化Fig.3V olume fraction contour of soli
18、d and gas phase inimpellers2.3气固液多相的流动轨迹为分析气相、固相所占比值的不同对离心泵内部流动规律的影响及其流动特征,对比分析设计工况下离心泵内部的不同气相、固相内部流动轨迹。特对图4进行了处理,其固体体积分数和气体体积分数较小的部分未在图中表示处理。从图中可以看出,气相主要集中在叶第14期付强等:离心泵气液固多相流动数值模拟与试验研究55 片工作面的中间位置,且气相的存在使叶轮流道内产生旋涡,严重影响叶轮流道内的能量交换与传递。固相的流动轨迹在没有旋涡的流道内是紧靠叶片的工作面和背面运动的;在有旋涡的流道内主要是随着旋涡旋转流动方向进行流动。在固体体积分数一定
19、时,气体体积分数的增加会增大旋涡的强度进而影响叶轮内能量交换和传递。在气体体积分数一定时,随着固体体积分数的增大,对流动轨迹的影响并不明显,主要表现在分布范围的增大。注:图中数字比为固相与气相的体积比;图中方块表示固相,圆圈表示气相。图4叶轮固、气相流动轨迹 Fig.4Particle tracks of solid-gas in impellers2.4气固液多相流中各相速度变化规律 旋涡以后。a.固相相对速度变化b.气相相对速度变化c.液相相对速度变化图5相对速度分布图Fig.5Velocity contour of particle in impellers3验证试验与结果分析按GB/T
20、 3216-2005回转动力泵水力性能验收试验1级和2级标准在B 级精度闭式试验台上对固相所占比值为10%,气相所占比值比为5%进行性能试验。在试验时,在蓄水罐中加入一定量颗粒大小不等的泥沙,颗粒最大直径2mm 左右,通过喷射泵和搅拌器搅拌水中的泥沙方式防止泥沙沉淀,通过在离心泵入口前的管路中通入计量空气来考察气相含量对离心泵性能的影响,测得试验数据和数值模拟数据如图6所示,由图中可以看出,试验结果与计算结果相差不大,流量-扬程误差值在3%左右,其差异是由于在铸造、机加工等因素引起的累计误差、水力损失农业工程学报2021年56及摩擦损失的计算误差、试验精度误差等因素造成的。 a.流量-扬程 b
21、.流量-效率图6模型泵性能曲线Fig.6Performance curves of model pump4结论1气相主要集中在叶片工作面的中间位置,其存在会使叶轮流道内产生旋涡而影响叶轮流道内的能量交换与传递;固相在没有旋涡的流道内是紧靠叶片表面运动的,在有旋涡流道内主要是随着旋涡旋转方向进行流动,固相所占比值的增加对流动轨迹的影响并不明显。2受气相所产生旋涡的影响使气体体积分数在径向量纲位置r/R2为0.4时达到最大值后直线急剧下降,下降至一定值后开始波动变化,而固体体积分数在径向量纲位置r/R2为0.4时较小,从径向量纲位置r/R2未0.4以后急剧增大。3由于受预旋、进口冲角及叶片与隔舌动
22、静干涉的影响,各相在叶轮流道内的分布呈现不对称性,气相进入到各流道内并聚集在叶片工作面的中间位置。固相进入叶轮流道内受离心力和惯性的影响,开始向叶片工作面和背面方向靠近,并随着气相增大所产生旋涡运动方向流动,进而增加该流道内固体体积分数。参考文献1吴春笃,张伟,黄勇强,等.新型旋流分离器内固液两相流的数值模拟J.农业工程学报,2006,22(3:98-102.Wu Chundu,Zhang Wei,Huang Yongqiang,et al.Numerical simulation of solid-liquid flow in a new kind of cycloneJ.Transacti
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 离心泵 气液固 多相 流动 数值 模拟 试验 完整版 实用 资料
限制150内