固液兩相流的研究現(xiàn)狀及進展

1、固液兩相流的研究現(xiàn)狀及進展摘要：本文主要寫了固液兩相流泵在國內的研究現(xiàn)狀以及分別從內特性、外特性兩方面對國內固液兩相流泵的研究進展進行分析。文中還給出了對固液兩相流動中的最佳流動模式進行了探討及固液兩相流泵常用研究方法的分析。關鍵詞：固液兩相流泵 數(shù)學模型 流動模式 牛頓流體1固液兩相流泵在國內的研究背景我國對液固兩相流泵的研究則始于20世紀70年代末80年代初,直到80年代中期以后按兩相流理論設計的泵才逐步得到應用。經過幾十年的努力,我國兩相流泵技術也得到了長足的發(fā)展, 國內許多學者應用兩相流理論對固液泵進行了水力設計和試驗研究, 積累了許多很有價值的經驗和數(shù)據(jù), 為我國對液固兩相流泵的研究

2、開辟了廣闊的道路。2. 國內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。離心式泵約占雜質泵總量的70% 左右，這類泵主要應考慮磨損問題。市場調查發(fā)現(xiàn): 上海主流泵生產企業(yè)生產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。由于固液兩相流動的復雜性和特殊性，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，國內外學者先后通過理論分析，實驗研究和數(shù)值模擬等方法深入研究固液兩相流泵的流動機理，優(yōu)化泵的設計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30 60 年代，國外學者研究固液相的性質與外特性關系得出的主要結論是: 泵的揚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;泵的最高效率點向著小流量區(qū)偏移。固液混合物的性質( 濃度、比重、粒徑 對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。由于實際應用和實驗大多數(shù)是在低濃度下，固體顆粒的質量分數(shù)上限為35% ，而對應的體積分數(shù)基本在1

4、5% 范圍內，相當多的文獻記載用CFD 方法分析過固相體積濃度為15% 范圍內的渣漿泵的流場。3.2 內特性研究固液兩相流的內特性研究主要通過以下幾個部分來進行：代表性的是B K 蘇波隆運用高速攝影技術研究固體顆粒在葉輪內部運動規(guī)律時得出的成果: 葉道內固體顆粒運動軌跡的特點是: 小顆粒( 1 2mm 大致沿著葉片的工作面運動，大顆粒( 8 10mm 由于離心力作用，運動背離工作面; 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壁。固液兩相流泵因其工作介質的緣故，磨損是其面臨的主要問題之一。

5、它的產生原因可分為三個部分: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)應用表明: 葉輪是固液兩相流泵內磨損最嚴重的零件，而葉輪出口處又是葉輪中磨損最嚴重位置之一，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，但相對工作面磨痕較淺 葉片入口附近有帶形的凹坑，個別凹坑很深甚至使后蓋板洞穿而導致葉輪失效。葉輪前后蓋板的內表面有顆?；?，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動軌跡，速度及分布以

6、及泵內流場有很大的關系。泵運行過程中產生的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相關。通過反復試驗得出: 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)固相的滑動床，因此比蝸殼側壁的磨損要嚴重得多。數(shù)值模擬和試驗研究還顯示，在對稱軸面按螺旋角增大方向的固相分布規(guī)律是: 沖擊磨損最為嚴重的是隔舌位置; 磨擦，磨損逐漸加劇。4 兩相流泵數(shù)學模型建立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參數(shù)與混合物平均運

7、動參數(shù)之間用一個附帶擴散速度本構關系的所謂擴散方程聯(lián)系起來, 所以不需用顆粒動量和能量方程, 只要有固體顆粒的連續(xù)方程或擴散方程即可。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,不能反映泵內部兩相流的運動規(guī)律。4.2 雙流體模型。雙流體模型認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 固相顆粒隨機軌道模型隨機軌道模型把固體顆粒當成離散相,以拉格朗日法進行處理, 而流體相用歐拉型的連續(xù)介質模型來描述?？紤]流體對顆粒

8、的作用,計算顆粒軌跡及其沿程變化, 歸結于用Monet-carlo方法求解顆粒的瞬態(tài)動量方程。許洪元等用此模型計算了固液兩相流泵葉輪中固體顆粒的運動軌跡, 并與實驗結果相比較,能夠較好地吻合。4.4 固液兩相湍流的KET模型和動力學模型對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,會造成比較大的誤差。由此,魏進家等建立了描述密相的液固兩相湍流的KET模型。由顆粒相動力學理論,把密相流動的顆粒運動分為3部分(平均運動、顆粒群的脈動和單顆粒的隨機脈動,同時再加上顆粒湍動能的耗散作用。徐義華等用此模型模擬離心葉輪內的含顆粒冪律流體的兩相流動。唐學林等運用分子動力學法

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)方程和動量方程,并考慮顆粒的相互作用,由動力學方法推導出高濃度時的顆粒間碰撞項, 由此建立高濃度液固兩相湍流的動力學模型。4.5 大渦模擬大渦模擬(LES是通過濾波函數(shù),在大尺度內直接求解N-S方程對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上,用大渦模擬思想,通過濾波函數(shù),分別對流體相和顆粒相建立了連續(xù)方程和動量方程, 計算了液固兩相流泵固液兩相湍流流動, 并與實驗結果進行了比較。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、試驗分析、數(shù)值模擬。在20 世紀80 年代之前，研究葉輪機械

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

11、普勒測速儀( Laser Doppler Velocimetry 簡LDV 。能夠測量三維流動，可測出近壁區(qū)的流動，但只能獲得平均速度，需要選擇合適的示蹤粒子; 粒子圖像測速儀( P ，能測量瞬時流動，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)的測量結果尚不理想; 激光誘發(fā)熒光( LIF 技術、激光分子測速( LMV 技術和壓敏涂層測壓( PSP 技術等。其中LDA 和PIV 是目前應用最多的測速技術。利用這些方法，在流體機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，因為它可方便、快捷、可視化等。通過這種“數(shù)值試驗”，可以充分認識流動規(guī)律

12、，方便地評價、選擇多種設計方案，進行優(yōu)化設計，并大幅度減少實驗室和測試等實體試驗研究工作量。6 固液兩相流動中最佳流動模式6.1 固液兩相流動中的兩種流體在固液兩相流動中存在著兩種流體即牛頓流體與賓漢渣漿流體。試驗證明在含某種固體顆粒的兩相流動中, 當固體的重量濃度較低時, 液體呈現(xiàn)出牛頓流體的特性當重量濃度較高時, 流體卻呈現(xiàn)出賓漢渣漿流體的流動特性, 這種隨著固體重量濃度不同呈現(xiàn)出不同流動特性的現(xiàn)象, 不僅在管道內的兩相流動中存在, 而且在泵內兩相流動中亦存在。6.2 賓漢渣漿流體中的最佳流動模式對含某種固體顆粒的兩相流體而言, 當固體的濃度增高至某一濃度時, 流體的性質就發(fā)生了變化, 從

13、牛頓流體轉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現(xiàn)象, 所謂柱狀流動是在管壁處存在著一濃度很低, 粘性顯著下降的薄層, 在薄層內的流體可看作層流運動的牛頓流體, 在薄層外的管道中部為主流區(qū), 該主流區(qū)的兩相流動如同固體一樣作整體運動。因此柱狀流動實際上是靠近管壁薄層內的層流與管道中部的柱狀流的疊加。由于柱狀流動中層流薄層內的水成為柱體與管壁之間的潤滑劑, 因此管道中柱狀流動的摩擦損失要比清水時的小，當速度變化很快時，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運動。由于這種自旋運動的結果, 作用在固體顆粒上的側向力就使之離開管壁而趨向流動中臼這就是物理上的“ 馬格努斯效

14、應” , 它在理論上是有充分根據(jù)的。使用管道在柱狀流動的范圍內輸送固液兩相流體, 其經濟效益為采用最低流速而不會沉淀, 因而管道阻力損失為最小輸送混合物的濃度最高而不會有堵塞管道的危險管道中流速給定時, 柱狀流的摩擦損失比層流或紊流時的都要小因此柱狀流動是管道中最經濟實用的流動模式。不僅在管道中柱狀流動是兩相流輸送的最經濟實用的流動模式, 而且在兩相流泵中柱狀流動也是輸送固液兩相流的最佳流動模式。6.3 牛頓流體中的最佳流動模式在固液兩相流動中, 當固體的重量濃度較高時, 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模式 一一柱狀流動, 在柱狀流動狀態(tài)下, 兩相流動的摩

15、擦阻力損失要比清水的小在兩相流動中, 當固體的重量濃度較低時, 兩相流體呈現(xiàn)出牛頓流體的特性。在工程流動問題中, 有許多流體是處于紊流狀態(tài)下的牛頓流體, 在這種流動中是否也存在著一種摩擦阻力損失比清水的還小的流動模式 國外學者通過試驗發(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流中的粘性損失, 甚至加人適量的添加劑后其流動損失低于清水時的流動損失。這一實驗結果為探討降低紊流摩擦阻力損失指出了研究方向, 因此進一步研究添加劑降阻現(xiàn)象的力學機理將有助于探討輸送牛頓流體的最佳流動模式。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觀察到的。6 我國固液兩相流泵的研究方向目前國內

16、外對通用的固液兩相流泵的研究主要有以下幾個方面。（1 深入研究泵內部的流動規(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，固液兩相流泵的設計還停留在二維階段，對于普及三維設計理論還需要深入研究。（3 探索國內的固液兩相流泵通用的性能優(yōu)化方案，達到提高效率，降低磨損，提高壽命的目的。（4 尋找新的實驗方案和測量手段、數(shù)值模擬的算法和網格技術，以提高實驗和模擬的可靠性、準確性。8 結論本文分別從內特性、外特性兩方面對國內固液兩相流泵的研究進展進行分析, 理論上我們應該更加注重掌握基礎知識,對泵內兩相流的流場分布進行更加精確的研究。在實踐上也通過研究一些模擬結果, 對一些實際問

17、題進行有效的處理。以及不論是在管道內的兩相流輸送中還是在泵內兩相流的輸送中, 當輸送重量濃度較高時, 兩相流體呈現(xiàn)出賓漢流體的流動特性當輸送的重量濃度較低時呈現(xiàn)出牛頓流體的流動特性。在賓漢流體中存在著一種柱狀流動現(xiàn)象, 柱狀流動時流動摩擦損失要比清水時的小, 因此柱狀流動是輸送賓漢流體的一種最佳流動模式。柱狀流動的流動模式已被人們所接受, 并且在工程實際應用中獲得令人滿意的效果。對于輸送低濃度的牛頓流體的研究, 盡管人們早已觀察到添加劑降阻現(xiàn)象, 在工程實際中也確實存在著其流動摩擦損失小于輸送清水的實例。參考文獻：1 陳次昌兩相流泵的理論與設計M北京:兵器工業(yè)出版社，19942梁冰，朱玉才固液

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20、ario avar，Hrvoje Kozmar，Igor SutlovicImproving centrifugal pump efficiency by impeller trimmingJDesalination，2009 (249:6546599楊華基于整機紊流模擬的離心泵葉型優(yōu)化方法與實驗研究 D上海:上海交通大學，200610趙斌娟雙流道泵內非定常三維湍流數(shù)值模擬及PIV測試 D南京:江蘇大學，200711Goto A，Zangeneh MHydrodynamic design system for pumps based on 3D CAD，CFD and inverse desi

21、gn methodJASME journal of fluids engineering，2002(124:32933512吳婷離心泵葉輪三維CAD系統(tǒng)的研究與開發(fā)D北京:北京工業(yè)大學，200413Raúl Barrio，Jorge Parrondo，Eduardo BlancoNumerical analysis of the unsteady flow in the neartongue region in a volutetype centrifugal pump for different operating pointsJ，ComputersFluids，2010(39:85987014RSpence，JAmaralTeixeira，A CFD parametric study of geometrical variations on the pressure pulsations and performance characteristics of a centrifugal pumpJComputersFluids，2009(38:12