水力機(jī)械中的多相流動(dòng)理論

水力機(jī)械中的多相流動(dòng)理論

1機(jī)械研磨中多相流動(dòng)理論在含砂介質(zhì)中運(yùn)行的水手機(jī)械的磨損問(wèn)題非常嚴(yán)重，尤其是在中國(guó)的黃河流域上。為此,國(guó)內(nèi)、外水機(jī)界學(xué)者進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究,取得了很大的成就。然而,要徹底解決水機(jī)的磨蝕問(wèn)題,需研究水力機(jī)械中的多相流動(dòng)理論。從目前發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看,大多以蔡保元教授的兩相流設(shè)計(jì)理論作為指導(dǎo)。2輪葉輪葉片的水力設(shè)計(jì)從文獻(xiàn)[2～5]的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)知:顆粒偏向于轉(zhuǎn)(葉)輪葉片的工作面。另外,從許多文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)中可以看出:在葉片的工作面出現(xiàn)了嚴(yán)重的魚(yú)鱗和溝槽,故可認(rèn)為轉(zhuǎn)輪葉片的工作面在磨蝕中泥砂磨損占主導(dǎo)作用,而轉(zhuǎn)輪葉片背面是低壓區(qū)。且從文獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果可知:汽泡偏向轉(zhuǎn)輪葉片的背面。因此,轉(zhuǎn)(葉)輪葉片背面的破壞在磨蝕中汽蝕占主導(dǎo)作用。為此,我們水力設(shè)計(jì)的主要思想是:針對(duì)含砂水中的流場(chǎng)進(jìn)行葉片型線設(shè)計(jì),將設(shè)計(jì)出來(lái)的無(wú)厚度的葉片作為背面。然后,以背面為基準(zhǔn),根據(jù)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡逐次替代加厚得到葉片工作面,使得型線與軌跡的誤差盡量小。這樣,可減少工作面的撞擊磨蝕,使得磨損盡量為接觸性磨損,而不致于產(chǎn)生破壞性的磨損,使得葉片工作面越磨越光。由于背面是按含砂流場(chǎng)設(shè)計(jì)的,可避免汽蝕,故可達(dá)到減少水力機(jī)械轉(zhuǎn)輪葉片的磨蝕、增加轉(zhuǎn)輪壽命的目的。關(guān)于計(jì)算顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡并連結(jié)成型面,可在有關(guān)文獻(xiàn)中查閱。3稀疏顆粒流場(chǎng)的理想設(shè)定假定所研究的流場(chǎng)是軸對(duì)稱(chēng)的,且稀疏顆粒不破壞有勢(shì)流場(chǎng),因此,假定所研究的稀疏顆粒的流場(chǎng)為一個(gè)“理想的軸對(duì)稱(chēng)有勢(shì)場(chǎng)。故由于水流含砂后,使得按清水流場(chǎng)設(shè)計(jì)的葉片所對(duì)應(yīng)的流網(wǎng)就不適合含砂流場(chǎng),應(yīng)按含砂流場(chǎng)來(lái)設(shè)計(jì)葉片背面。3.1球粒的制備工藝設(shè)ε為軸面準(zhǔn)正交線(含砂流場(chǎng))與z軸的夾角,則有:為了便于研究,作如下基本假設(shè):1)固液兩相之間無(wú)質(zhì)量交換;2)把固相看作“擬流體”;3)兩相濕度相同;4)所有顆粒為尺寸相同的的球粒。故,由在柱坐標(biāo)下的連續(xù)方程,有式中αi為濃度(i=s,f)式(2)便是濃度αi沿準(zhǔn)正交線的分布公式,αi0為(固、液)初始濃度分布。3.2細(xì)胞視角計(jì)算為了建立軸面速度沿準(zhǔn)正交線的速度梯度方程,如圖1所示取坐標(biāo)(本文以水輪機(jī)為例),β為軸面流線切線與Z軸的夾角,根據(jù)連續(xù)方程,考慮到有勢(shì)流動(dòng)時(shí):rot=0(固、液兩相近似認(rèn)為滿足),則有:又則由(1)、(3)、(5)式,得:δ為準(zhǔn)正交線與軸面流線切線的夾角得:同理可得:則有:故式中Vmhi=Vmi|l=lh,按下式計(jì)算:lh,ls為上冠及下環(huán)處準(zhǔn)正交線的長(zhǎng)度。流量校核式為:式中j為軸面流線的編號(hào);補(bǔ)充條件:αf+αs=13.3含砂流場(chǎng)的流網(wǎng)首先,在流網(wǎng)給定的條件下,式(13)中的β,δ,dβ/dl,dβ/dm均可用數(shù)值方法求解。因此,用清水流場(chǎng)的流網(wǎng)作為第一次的初始流網(wǎng),這樣,采用落后一次的方法,計(jì)算出修改流網(wǎng),最后,(Δ為給定的精度),若成立,則得到含砂流場(chǎng)的流網(wǎng)。否則,根據(jù)流量偏差反插,修改流網(wǎng),直到滿足給定精度為止。3.4機(jī)械轉(zhuǎn)葉輪葉片的積分在含砂流網(wǎng)計(jì)算出來(lái)之后,則我們所要設(shè)計(jì)的葉片必須適應(yīng)此流場(chǎng),以使葉片的能量轉(zhuǎn)換(含砂粒的能量轉(zhuǎn)換)最高、汽蝕性能最好,因此,采用積分葉片的一般積分方程,即:式中Vm近似用所計(jì)算微段的平均值來(lái)代替(固液兩相),把根據(jù)含砂流場(chǎng)所積分出的無(wú)厚度葉片型線作為葉片背面,然后,根據(jù)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡,對(duì)葉片以背面為基準(zhǔn)向工作面加厚。通過(guò)本方法得到的水力機(jī)械轉(zhuǎn)(葉)輪葉片,其能量性能高,汽蝕性能好,且抗磨蝕能力最優(yōu),因而,可達(dá)到出力大、壽命長(zhǎng)的目的。對(duì)泵而言,可提高其效率,減少能耗。4實(shí)際發(fā)電機(jī)改造應(yīng)用上述方法,對(duì)一小電站進(jìn)行了改造,主要參數(shù)為:Q=2.358m3/h,b0=0.23m,H=16m,ps=2670kg/m3,n=500r/min,D1=600mm,實(shí)際出力在原基