固液兩相流的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

1、固液兩相流的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展摘要：本文主要寫了固液兩相流泵在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀以及分別從內(nèi)特性、外特性兩方面對(duì)國內(nèi)固液兩相流泵的研究進(jìn)展進(jìn)行分析。文中還給出了對(duì)固液兩相流動(dòng)中的最佳流動(dòng)模式進(jìn)行了探討及固液兩相流泵常用研究方法的分析。關(guān)鍵詞：固液兩相流泵 數(shù)學(xué)模型 流動(dòng)模式 牛頓流體1固液兩相流泵在國內(nèi)的研究背景我國對(duì)液固兩相流泵的研究則始于20世紀(jì)70年代末80年代初,直到80年代中期以后按兩相流理論設(shè)計(jì)的泵才逐步得到應(yīng)用。經(jīng)過幾十年的努力,我國兩相流泵技術(shù)也得到了長足的發(fā)展, 國內(nèi)許多學(xué)者應(yīng)用兩相流理論對(duì)固液泵進(jìn)行了水力設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究, 積累了許多很有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù), 為我國對(duì)液固兩相流泵的研究

2、開辟了廣闊的道路。2. 國內(nèi)固液兩相流泵的研究現(xiàn)狀固液兩相流泵的基本概念通常分為兩類雜質(zhì)泵，包括泥漿泵、砂泵、挖泥泵等，主要用于冶金、礦山開采、電力、煤炭、水泥等行業(yè)抽送尾礦、精礦、灰渣、煤泥、水泥等，也可用于江、河、湖、海的挖泥和疏浚。離心式泵約占雜質(zhì)泵總量的70% 左右，這類泵主要應(yīng)考慮磨損問題。市場調(diào)查發(fā)現(xiàn): 上海主流泵生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的離心式的固液兩相流泵主要是渣漿泵。無堵塞泵，包括旋流泵、單流道泵、多流道泵、螺旋離心泵和開式或半開式離心泵等，主要用于抽送污水、紙漿、纖維等，這類泵主要考慮的是堵塞問題。由于固液兩相流動(dòng)的復(fù)雜性和特殊性，所以固液兩相流泵在性能、噪聲、壽命等方面存在著較大的缺

3、陷。為了克服上述缺點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者先后通過理論分析，實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬等方法深入研究固液兩相流泵的流動(dòng)機(jī)理，優(yōu)化泵的設(shè)計(jì)來提高其效率和壽命，降低噪音。3.固液兩相流泵的研究理論3.1 外特性研究20 世紀(jì)30 60 年代，國外學(xué)者研究固液相的性質(zhì)與外特性關(guān)系得出的主要結(jié)論是: 泵的揚(yáng)程隨著濃度的增加而下降; 泵的功率隨著濃度的增大而增大; 泵的效率隨著濃度的增加而下降;泵的最高效率點(diǎn)向著小流量區(qū)偏移。固液混合物的性質(zhì)( 濃度、比重、粒徑 對(duì)離心泵性能方面的影響。固液混合物按固相比例分為高濃度和低濃度。由于實(shí)際應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)大多數(shù)是在低濃度下，固體顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限為35% ，而對(duì)應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)基本在1

4、5% 范圍內(nèi)，相當(dāng)多的文獻(xiàn)記載用CFD 方法分析過固相體積濃度為15% 范圍內(nèi)的渣漿泵的流場。3.2 內(nèi)特性研究固液兩相流的內(nèi)特性研究主要通過以下幾個(gè)部分來進(jìn)行：代表性的是B K 蘇波隆運(yùn)用高速攝影技術(shù)研究固體顆粒在葉輪內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)得出的成果: 葉道內(nèi)固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的特點(diǎn)是: 小顆粒( 1 2mm 大致沿著葉片的工作面運(yùn)動(dòng)，大顆粒( 8 10mm 由于離心力作用，運(yùn)動(dòng)背離工作面; 葉輪直徑等于310mm，大顆粒出口角為30° 50°，而小顆粒出口角為10°左右; 小顆粒分布均勻，大顆粒集中在泵殼內(nèi)壁。固液兩相流泵因其工作介質(zhì)的緣故，磨損是其面臨的主要問題之一。

5、它的產(chǎn)生原因可分為三個(gè)部分:固體顆粒的沖擊造成的損傷、汽蝕損傷、損傷和腐蝕共同作用造成的損傷。工業(yè)應(yīng)用表明: 葉輪是固液兩相流泵內(nèi)磨損最嚴(yán)重的零件，而葉輪出口處又是葉輪中磨損最嚴(yán)重位置之一，葉片工作面與后蓋板相交棱角處有很深的條形溝紋，這種條形溝在葉片工作面的不同部位深度和寬度不同，一般在葉輪出口附近最深 甚至有可能使葉片或后蓋板洞穿。葉片非工作面上有凹凸不平的麻坑，但相對(duì)工作面磨痕較淺 葉片入口附近有帶形的凹坑，個(gè)別凹坑很深甚至使后蓋板洞穿而導(dǎo)致葉輪失效。葉輪前后蓋板的內(nèi)表面有顆粒滑痕，除靠近葉片工作面位置外，磨損較輕; 外表面光滑、有均勻磨損痕跡。離心泵的磨損與顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，速度及分布以

6、及泵內(nèi)流場有很大的關(guān)系。泵運(yùn)行過程中產(chǎn)生的Von Mises 力，隨著顆粒的直徑、速度、入侵角的增大而增大，而與顆粒的錐頂角負(fù)相關(guān)。通過反復(fù)試驗(yàn)得出: 采用小葉片出口角2、少葉片數(shù)Z 和大出口寬度b2的葉輪能減輕泵的磨損。葉輪出口的流體沿徑向高速流出，夾帶的固體顆粒直接沖刷蝸殼圓周外壁，形成高濃度區(qū)固相的滑動(dòng)床，因此比蝸殼側(cè)壁的磨損要嚴(yán)重得多。數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究還顯示，在對(duì)稱軸面按螺旋角增大方向的固相分布規(guī)律是: 沖擊磨損最為嚴(yán)重的是隔舌位置; 磨擦，磨損逐漸加劇。4 兩相流泵數(shù)學(xué)模型建立4.1 單流體模型這種模型把離散固體顆粒和流體看作混合流體來處理, 流體與固體之間的流動(dòng)參數(shù)與混合物平均運(yùn)

7、動(dòng)參數(shù)之間用一個(gè)附帶擴(kuò)散速度本構(gòu)關(guān)系的所謂擴(kuò)散方程聯(lián)系起來, 所以不需用顆粒動(dòng)量和能量方程, 只要有固體顆粒的連續(xù)方程或擴(kuò)散方程即可。這種模型直觀、簡單。但由于其沒有考慮兩相之間的相互作用和相互影響,不能反映泵內(nèi)部兩相流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。4.2 雙流體模型。雙流體模型認(rèn)為固體顆粒和流體相之間存在速度差, 存在相互作用和影響, 并認(rèn)為顆粒具有與流體類似的湍流特性。此模型的處理方法一般是分別建立流體相和固體顆粒相的基本方程,并通過顆粒與流體之間的相互作用來使兩相聯(lián)系。4.3 固相顆粒隨機(jī)軌道模型隨機(jī)軌道模型把固體顆粒當(dāng)成離散相,以拉格朗日法進(jìn)行處理, 而流體相用歐拉型的連續(xù)介質(zhì)模型來描述。考慮流體對(duì)顆粒

8、的作用,計(jì)算顆粒軌跡及其沿程變化, 歸結(jié)于用Monet-carlo方法求解顆粒的瞬態(tài)動(dòng)量方程。許洪元等用此模型計(jì)算了固液兩相流泵葉輪中固體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡, 并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較,能夠較好地吻合。4.4 固液兩相湍流的KET模型和動(dòng)力學(xué)模型對(duì)于固體顆粒濃度比較大的情況,由于固體顆粒之間碰撞加劇, 用前面介紹的幾種模型,會(huì)造成比較大的誤差。由此,魏進(jìn)家等建立了描述密相的液固兩相湍流的KET模型。由顆粒相動(dòng)力學(xué)理論,把密相流動(dòng)的顆粒運(yùn)動(dòng)分為3部分(平均運(yùn)動(dòng)、顆粒群的脈動(dòng)和單顆粒的隨機(jī)脈動(dòng),同時(shí)再加上顆粒湍動(dòng)能的耗散作用。徐義華等用此模型模擬離心葉輪內(nèi)的含顆粒冪律流體的兩相流動(dòng)。唐學(xué)林等運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)法

9、,基于固體顆粒的Boltzmann方程,得到高濃度液固兩相流湍流的連續(xù)方程和動(dòng)量方程,并考慮顆粒的相互作用,由動(dòng)力學(xué)方法推導(dǎo)出高濃度時(shí)的顆粒間碰撞項(xiàng), 由此建立高濃度液固兩相湍流的動(dòng)力學(xué)模型。4.5 大渦模擬大渦模擬(LES是通過濾波函數(shù),在大尺度內(nèi)直接求解N-S方程對(duì)小尺度渦采用亞格子模型(SGS模擬。吳玉林等在雙流體模型的基礎(chǔ)上,用大渦模擬思想,通過濾波函數(shù),分別對(duì)流體相和顆粒相建立了連續(xù)方程和動(dòng)量方程, 計(jì)算了液固兩相流泵固液兩相湍流流動(dòng), 并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。5 固液兩相流泵常用研究方法的分析常用的研究方法主要有理論分析、試驗(yàn)分析、數(shù)值模擬。在20 世紀(jì)80 年代之前，研究葉輪機(jī)械

10、的主要方法是理論分析和實(shí)驗(yàn)研究后來隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值模擬占據(jù)著研究葉輪機(jī)械越來越重要的地位。5.1 理論研究在流體力學(xué)發(fā)展的前期，研究者用理論分析方法來建立葉輪內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律的統(tǒng)一的數(shù)學(xué)描述。但由于方程的復(fù)雜性，計(jì)算能力的有限性，理論研究一直沒得到突破。5.2 實(shí)驗(yàn)研究試驗(yàn)研究流體機(jī)械主要是流體參數(shù)的測(cè)量和流動(dòng)的顯示。流體參數(shù)的測(cè)量主要方法是探針和熱線熱膜技術(shù)缺點(diǎn)是探針等介入會(huì)擾動(dòng)真實(shí)流場，且需要復(fù)雜的遙測(cè)技術(shù)將采集信號(hào)從轉(zhuǎn)子傳遞到靜止參考系。傳統(tǒng)的流場顯示技術(shù)又可分為壁面顯跡法、絲線法、示蹤法和光學(xué)法4 類，現(xiàn)代流動(dòng)顯示技術(shù)包括: 激光雙聚測(cè)速儀，能夠測(cè)量二維流動(dòng)，測(cè)速范圍廣; 激光多

11、普勒測(cè)速儀( Laser Doppler Velocimetry 簡LDV 。能夠測(cè)量三維流動(dòng)，可測(cè)出近壁區(qū)的流動(dòng)，但只能獲得平均速度，需要選擇合適的示蹤粒子; 粒子圖像測(cè)速儀( P ，能測(cè)量瞬時(shí)流動(dòng)，需要選擇合適的示蹤粒子，但由于受壁面反射光的影響，近壁區(qū)的測(cè)量結(jié)果尚不理想; 激光誘發(fā)熒光( LIF 技術(shù)、激光分子測(cè)速( LMV 技術(shù)和壓敏涂層測(cè)壓( PSP 技術(shù)等。其中LDA 和PIV 是目前應(yīng)用最多的測(cè)速技術(shù)。利用這些方法，在流體機(jī)械的研究方面取得了最大的成績。5.3 數(shù)值模擬近年來越來越多的研究人員都熱衷于CFD，因?yàn)樗煞奖?、快捷、可視化等。通過這種“數(shù)值試驗(yàn)”，可以充分認(rèn)識(shí)流動(dòng)規(guī)律

12、，方便地評(píng)價(jià)、選擇多種設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并大幅度減少實(shí)驗(yàn)室和測(cè)試等實(shí)體試驗(yàn)研究工作量。6 固液兩相流動(dòng)中最佳流動(dòng)模式6.1 固液兩相流動(dòng)中的兩種流體在固液兩相流動(dòng)中存在著兩種流體即牛頓流體與賓漢渣漿流體。試驗(yàn)證明在含某種固體顆粒的兩相流動(dòng)中, 當(dāng)固體的重量濃度較低時(shí), 液體呈現(xiàn)出牛頓流體的特性當(dāng)重量濃度較高時(shí), 流體卻呈現(xiàn)出賓漢渣漿流體的流動(dòng)特性, 這種隨著固體重量濃度不同呈現(xiàn)出不同流動(dòng)特性的現(xiàn)象, 不僅在管道內(nèi)的兩相流動(dòng)中存在, 而且在泵內(nèi)兩相流動(dòng)中亦存在。6.2 賓漢渣漿流體中的最佳流動(dòng)模式對(duì)含某種固體顆粒的兩相流體而言, 當(dāng)固體的濃度增高至某一濃度時(shí), 流體的性質(zhì)就發(fā)生了變化, 從

13、牛頓流體轉(zhuǎn)變成為賓漢渣漿流體。在賓漢渣漿流體中存在著一種柱狀流動(dòng)現(xiàn)象, 所謂柱狀流動(dòng)是在管壁處存在著一濃度很低, 粘性顯著下降的薄層, 在薄層內(nèi)的流體可看作層流運(yùn)動(dòng)的牛頓流體, 在薄層外的管道中部為主流區(qū), 該主流區(qū)的兩相流動(dòng)如同固體一樣作整體運(yùn)動(dòng)。因此柱狀流動(dòng)實(shí)際上是靠近管壁薄層內(nèi)的層流與管道中部的柱狀流的疊加。由于柱狀流動(dòng)中層流薄層內(nèi)的水成為柱體與管壁之間的潤滑劑, 因此管道中柱狀流動(dòng)的摩擦損失要比清水時(shí)的小，當(dāng)速度變化很快時(shí)，管壁附近的速度梯度使處于懸浮狀態(tài)下的固體獲得一種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于這種自旋運(yùn)動(dòng)的結(jié)果, 作用在固體顆粒上的側(cè)向力就使之離開管壁而趨向流動(dòng)中臼這就是物理上的“ 馬格努斯效

14、應(yīng)” , 它在理論上是有充分根據(jù)的。使用管道在柱狀流動(dòng)的范圍內(nèi)輸送固液兩相流體, 其經(jīng)濟(jì)效益為采用最低流速而不會(huì)沉淀, 因而管道阻力損失為最小輸送混合物的濃度最高而不會(huì)有堵塞管道的危險(xiǎn)管道中流速給定時(shí), 柱狀流的摩擦損失比層流或紊流時(shí)的都要小因此柱狀流動(dòng)是管道中最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的流動(dòng)模式。不僅在管道中柱狀流動(dòng)是兩相流輸送的最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的流動(dòng)模式, 而且在兩相流泵中柱狀流動(dòng)也是輸送固液兩相流的最佳流動(dòng)模式。6.3 牛頓流體中的最佳流動(dòng)模式在固液兩相流動(dòng)中, 當(dāng)固體的重量濃度較高時(shí), 兩相流體呈現(xiàn)出賓漢渣漿流體的特性。在賓漢渣漿流體中存在著一種最佳流動(dòng)模式 一一柱狀流動(dòng), 在柱狀流動(dòng)狀態(tài)下, 兩相流動(dòng)的摩

15、擦阻力損失要比清水的小在兩相流動(dòng)中, 當(dāng)固體的重量濃度較低時(shí), 兩相流體呈現(xiàn)出牛頓流體的特性。在工程流動(dòng)問題中, 有許多流體是處于紊流狀態(tài)下的牛頓流體, 在這種流動(dòng)中是否也存在著一種摩擦阻力損失比清水的還小的流動(dòng)模式 國外學(xué)者通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在紊流狀態(tài)下的水流中加人固體添加劑可減小內(nèi)流中的粘性損失, 甚至加人適量的添加劑后其流動(dòng)損失低于清水時(shí)的流動(dòng)損失。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果為探討降低紊流摩擦阻力損失指出了研究方向, 因此進(jìn)一步研究添加劑降阻現(xiàn)象的力學(xué)機(jī)理將有助于探討輸送牛頓流體的最佳流動(dòng)模式。添加劑引起降阻現(xiàn)象是早在二次世界大戰(zhàn)中將凝固的汽油注人火焰噴射器時(shí)觀察到的。6 我國固液兩相流泵的研究方向目前國內(nèi)

16、外對(duì)通用的固液兩相流泵的研究主要有以下幾個(gè)方面。（1 深入研究泵內(nèi)部的流動(dòng)規(guī)律，固相顆粒的分布特性，以及在該分部規(guī)律下泵的磨損特性。（2 目前，固液兩相流泵的設(shè)計(jì)還停留在二維階段，對(duì)于普及三維設(shè)計(jì)理論還需要深入研究。（3 探索國內(nèi)的固液兩相流泵通用的性能優(yōu)化方案，達(dá)到提高效率，降低磨損，提高壽命的目的。（4 尋找新的實(shí)驗(yàn)方案和測(cè)量手段、數(shù)值模擬的算法和網(wǎng)格技術(shù)，以提高實(shí)驗(yàn)和模擬的可靠性、準(zhǔn)確性。8 結(jié)論本文分別從內(nèi)特性、外特性兩方面對(duì)國內(nèi)固液兩相流泵的研究進(jìn)展進(jìn)行分析, 理論上我們應(yīng)該更加注重掌握基礎(chǔ)知識(shí),對(duì)泵內(nèi)兩相流的流場分布進(jìn)行更加精確的研究。在實(shí)踐上也通過研究一些模擬結(jié)果, 對(duì)一些實(shí)際問

17、題進(jìn)行有效的處理。以及不論是在管道內(nèi)的兩相流輸送中還是在泵內(nèi)兩相流的輸送中, 當(dāng)輸送重量濃度較高時(shí), 兩相流體呈現(xiàn)出賓漢流體的流動(dòng)特性當(dāng)輸送的重量濃度較低時(shí)呈現(xiàn)出牛頓流體的流動(dòng)特性。在賓漢流體中存在著一種柱狀流動(dòng)現(xiàn)象, 柱狀流動(dòng)時(shí)流動(dòng)摩擦損失要比清水時(shí)的小, 因此柱狀流動(dòng)是輸送賓漢流體的一種最佳流動(dòng)模式。柱狀流動(dòng)的流動(dòng)模式已被人們所接受, 并且在工程實(shí)際應(yīng)用中獲得令人滿意的效果。對(duì)于輸送低濃度的牛頓流體的研究, 盡管人們?cè)缫延^察到添加劑降阻現(xiàn)象, 在工程實(shí)際中也確實(shí)存在著其流動(dòng)摩擦損失小于輸送清水的實(shí)例。參考文獻(xiàn)：1 陳次昌兩相流泵的理論與設(shè)計(jì)M北京:兵器工業(yè)出版社，19942梁冰，朱玉才固液

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