螺旋离心泵内气固液三相非定常流动的数值计算与分析（可编辑）

螺旋离心泵内气固液三相非定常流动的数值计算与分析（可编辑） 螺旋离心泵内气固液三相非定常流动的数值计算与分 析 学校代号: 学 号: 密 级:公开 兰州理工大学硕士学位 螺旋离心泵内气固液三相非定常 流动的数值计算与分析 ? ? .. ?,兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 日期:沙侈年‖月 作者签名:嗜荔 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即: 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到《中国学位论文全文数据库》,并通过网络向社会公众提供信息服 务。 日期:汐归年‖月日 导师签名: 日期:矽侈年 莎月夕日 , , ? 善意薹耄二彳象.李/ \硕士学位论文 目录 摘 要. ......?........?.....?......?.?....?.?........??. 第章 绪论??.. .研究背景及意义?一 ..课来源和名称 ..课题意义 .多相流研究进展?一 ..多相流特点..多相流发展概况 ..多相流的研究现状..多相流的研究方法.非定常流动的研究现状?. .气固液三相流的研究现状. .螺旋离心泵的发展概况与研究现状..螺旋离心泵的特点?一 ..螺旋离心泵的理论研究??. ..螺旋离心泵的实验研究??. ..螺旋离心泵内部流场观测.. .本课题主要研究内容概述??.. 第章软件原理? . 模型的数值求解方法概述. .流场数值解法??. .. 算法? .. 算法 .. 算法 .活动变形区域中的流动计算?.. ..网格技术??.. ..壁面函数和近壁模型 ..离散格式??..螺旋离心泵内气固液三相非定常流动的数值计算与分析 .多相流模型. .. 模型??.. .. 模型??.. .. 模型? ..多相流模型选择的基本原则??.. .边界条件?.. .本章小节?.. 第章 螺旋离心泵内气固液三相非定常流动的数值计算与分析?.. .螺旋离心泵三维模型的建立与网格的划分? ..螺旋离心泵的参数和流体物性??. ..模型的基本假设??. ..网格划分??.. ..建立模型??.. ..边界条件??.. .额定工况下叶轮旋转一个周期的计算结果及分析. ..泵扬程和效率一个周期内变化分析:??. ..叶轮所受径向力在一个周期内的变化分析..一个周期内不同时刻蜗壳中 截面压力变化.一个周期内不同时刻固相和气相的分布规律 ..固相体积分数一个周期内不同时刻在叶轮工作面的分布?. ..气相体积分数一个周期内不同时刻在叶轮工作面的分布?. ..固相体积分数一个周期内不同时刻在叶轮背面的分布??. ..气相体积分数一个周期内不同时刻在叶轮背面的分布??. .本章小节?.. 第章 气固液三相流在不同流量下的数值计算与分析. .气固液三相流动在一个周期内不同流量下的外特性对比分析? ..一个周期内蜗壳出口面压力在不同流量下的对比分析??. ..一个周期内叶轮所受扭矩在不同流量下的对比分析.. ..一个周期内瞬时扬程在不同流量下的对比分析 ..一个周期内叶轮所受径向力在不同流量下的对比分析??. .气固液三相流在一个周期内不同流量下的内特性对比分析..压力在不同时 刻不同流量下的对比分析 ..气相浓度在不同时刻不同流量下的对比分析?硕士学位论文 ..固相浓度在不同时刻不同流量下的对比分析? ..内流场轴截面流线在不同时刻不同流量下的对比分析??. .本章小结?.. 第章 不同气相体积浓度下气固液三相流的数值计算与分析??.. .不同气相体积浓度下三相流瞬时扬程和瞬时效率的对比分析? .不同气相体积浓度下三相流叶轮所受径向力的对比分析. .不同气相体积浓度下三相流叶轮所受扭矩的对比分析?. .不同气相体积浓度下三相流动在蜗壳壁面不同位置的压力分析 .不同气相体积浓度下三相流压力的对比分析 .不同气相体积浓度下三相流速度的对比分析 .同一固相浓度下气相体积浓度的分布 .本章小结?.. 第章 不同固相体积浓度下气固液三相流动的数值计算与分析?.. .不同固相体积浓度下三相流瞬时扬程和瞬时效率的对比分析? .不同固相体积浓度下三相流叶轮所受径向力的对比分析. .不同固相体积浓度下三相流叶轮所受扭矩的对比分析?. .不同固相体积浓度下三相流压力的对比分析 .不同固相体积浓度下三相流动速度的对比分析?.. .同一气相浓度下固相浓度分布和不同固相浓度下气相浓度分布 .本章小结?.. 结论与展望 结论?. 展望??.. 参考文献?. 致谢. 攻读学位期间所发表的学术论文目录硕士学位论文 摘 要 螺旋离心泵是一种具有特殊结构的多相流泵,最初是为了港口输送鱼而开 发, 目前,在电力、冶金、石化、制药、食品加工、煤炭、造纸及河道疏浚、节 能与 环保、污水处理等领域广泛应用,其独特结构造就的优越性在应用过程中日 益突 现。这种泵具有螺旋泵和离心泵两者优点,当前已经成为重要的新型杂质泵。但 目前对其还没有完善和成熟的设计方法,研究还不充分。为了直观准确的了解流 体机械内部流场、对螺旋离心泵的内部流动进行更精确的描述,本课题进行了气 固液三相非定常流动的数值模拟,以便为螺旋离心泵的设计及今后的三相流实验 研究提供参考。 本课题对.型螺旋离心泵建立模型,采用多相流模型、 算法及滑移网格技术进行三相非定常模拟,获得了不同流量、气相浓度、固相浓度 下外特性曲线和内部流场压力分布和速度矢量分布图。主要结论如下: .在一个周期内泵瞬时效率和瞬时扬程的曲线形状近似于正弦函数的曲线,并 且两条曲线变化趋势几乎相同,叶轮旋转一周所承受的径向力近似呈椭圆分布。 .随着流量的增大,蜗壳出口面的压力值降低:瞬时扬程最大值区域越来越宽, 最大值越来越小;最大半径处转过隔舌不久,各工况下的扭矩值均达到一个周期的 最大值,且流量越大扭矩值越大;蜗壳中截面压力和叶轮内部流线随着时刻 和流量 的不同发生相应变化。 .在不同气相浓度下,工作面、背面的速度分布几乎不变;随着气体含量上升, 泵瞬时扬程和瞬时效率在下降;径向力和扭矩在减小,而径向力的方向基本无变化。 .随着固体含量上升,泵瞬时扬程、瞬时效率和径向力的变化情况与气相的变 化趋势类似,但在相同体积分数的增加的情况下,固相使扬程和效率下降更快、值 更小;叶轮工作面和背面上的最大压力值都在增大,最小压力值都在减小;气相分 布呈高浓度区含量越高低浓度区含量越低趋势。 关键词:螺旋离心泵;气固液三相流;非定常;数值模拟;体积浓度螺旋离心泵内气固液三相非定常流动的数值计算与分析 . ,. ,,,,, ,, , ,., . ,..,. . ,., ’ ? , , . : ., , . . , . ., ,., . . , , , . , 硕士学位论文. . ., ,, , . , ,. ,. : ;;;; 硕士学位论文 第章 绪论 .研究背景及意义 ..课题来源和名称 课题来源:国家自然科学基金项目 课题名称:螺旋离心泵内固液两相流非定常流动机理及能量转换特性研究 ..课题意义 两相或两相以上物质混合流动在自然界和许多工业过程中是最常见的现象, 也是不可忽视且必须处理的问题。最常见的是气固、气汽液、固液两相流动 还有两相以上的多相流动,如油.气.水三相流动、气.液.固三相流动,甚至油.气. 水.砂四相同时存在的流动。在多相流情况下,如果考虑不周,会出现很多问题, 甚至带来巨大的经济损失。如三门峡水库因对黄河泥沙估计不足,导致河床抬高, 对渭河产生很大影响。按单相流设计的泵与风机,在多相流条件下,因磨损十分 严重,效率大为降低。如武钢大冶铁矿的尾矿泵运行不到一个月便磨损报废。又 如汉川电厂的煤粉风机,设计寿命为时,实际运用只有时?。因此, 在依靠经验公式和定常研究方法很难迸一步提高叶轮机械性能的情况下,研 究叶 轮机械内部的多相非定常流动特性,改进现有的叶轮机械定常水力设计理论,提 出更符合叶轮机械内部流动实际特性的非定常水力设计理论,已成为当前国际叶 轮机械研究领域的发展趋势。 我国石油、天然气虽有一定储量,但随着大批量的开采,目前东部各大油田 都已进入劣质、难采阶段,新的大型油气开采逐渐向海洋、沙漠和极地等环境条 件恶劣的区域延伸,而且所开发油田的油层越来越深,油质越来越重,此时抽送泵 内将出现油气水沙多相共同流动的复杂形态。因而时常造成进油压力变化不定, 抽空、气蚀、磨损现象频频出现,导致生产不稳,影响产量,特别是到了边际油 田,更难以继续开采和输送,甚至不得不停钻【。因此,气固液多相流的研究也 在一定程度上制约着石油工业发展和企业经济效益。 在电力、冶金、制药、食品加工、煤炭、造纸及河道疏浚、节能与环保、污 水处理等领域,也广泛存在多相流混合与分离过程,其中,相比应用较多的多级 轴流泵,螺旋离心泵在多相混输方面拥有明显的优势。但目前的技术效率很 低, 急待研究多相混输方面的内流特性和外特性,以提高资源利用率和劳动生产率。 世纪年代螺旋式离心泵为适应渔业的发展需要,问世于秘鲁,之后逐 渐被扩展到其他食品领域,如泵送蔬菜水果等。现在它的用途早已超过了其最螺旋离心泵内气固液三相非定常流动的数值计算与分析 初开发时用于港口输送鱼的功能,已开始广泛应用电力、冶金、制药、食品加工、 煤炭、造纸及河道疏浚、节能与环保、污水处理等领域。这种泵具有良好的无堵 塞、无损吸入、调节和抗汽蚀等性能,并具有结构简单、无过载、效率高及高效 区宽等优点。 但到目前为止,在它的水力设计和特性研究方面,远没有达到像离心泵那样 的水平,已有的研究工作以针对螺旋式叶轮的分析、测绘和经验设计为主【】。人 们对它的认识还不深入,设计理论和方法也不是很成熟,基于经验方法的设计越 来越不能满足叶轮机械朝着高负荷、高效率、低噪声新方向发展的需要。因此, 为了进一步提高叶轮的水力性能,有必要对叶轮内部的流动情况进行研究。 叶轮是螺旋离心泵最重要的过流部件,不但自身旋转而且流道的几何形 状伴有强烈的弯益和扭曲。在部分流域会产生逆流,当流量在关死点到最大效 率点流量的%区域时,会产生很大的振动和噪声,要控制这种振动和噪声是非 常困难的】,并且由于其自身旋转和几何形状复杂使得详细观测叶轮内部的流 动情况也变得非常困难。目前,国内外尚无完善的水力机组振动预估方法,所以 应大力开展非定常流方面研究,提高非定常流计算的精度和速度,通过流动分析, 为刚度、强度计算提供可靠的载荷,为水力机械振动预测和减振措施的研究提供 有效手段。 多相混合流存在于许多工业领域,常常被简化成单相或两相,这并不能很好 地反应实际流动。因此,为了提高螺旋离心泵的效率和运行稳定性,认识其内部真 实流动的本质,搞清这些流动现象发生、发展规律,从气固液三相流的角度对其 内部非定常流动进行研究是非常必要的。 .多相流研究进展 不同相态或不同组分的物质同时存在的流动称之为多相流。它作为一门新兴 学科,是流体力学的重要分支,也是学科前沿,在航空航天、国防、能源、化工、 环境保护、冶金、轻工、食品加工等领域有着广阔的应用前景。应用如此广泛, 并且多相流的研究成果直接影响着相关领域的发展,自然地,对于多相流研究的 必要性就不言而喻了。 ..多相流特点 多相流动比单相流动具有更广泛的普遍性和实用性,但是它的物理特性和数 学描述却要复杂得多。 .流动形态复杂多变:多相流根据相间的相对位置、相对含量、相对速度、 相对温度而分为种种流型,而且流型又随物性如密度、黏度、表面张力、传热 系数等、流动条件及边界条件、热负荷及压力等的不同而发生变化。一个实际 流场中,可能同时存在几种流型,这给多相流动的分析带来很大的困难。 硕士学位论文 不仅相与相之间存在相互作用,同一相之 .相间相互作用强:在多相流中, 间也存在相互作用,如颗粒与颗粒间。 这些相互作用除了极稀薄的流动外,一般 是比较强的。 .物性参数多且变化大:多相流的物性将随着体积比、密度比、温度的变化 而变化,出现更多的物性参数,例如密度,就需要定义各相的真密度物质密 度、 分密度表现密度和混合密度。多相流的一些物性参数如临界参量会随着体积 比的变化发生急剧变化。 .阻力系数改变,能耗改变:在多相流中,即使不考虑壁面边界层黏性损耗, 也还存在相间摩擦损失和蒸发或凝结引起的速度能损失,所以多相流能耗一般比 单相流大。但若在流体中加入少量高分子减阻物质,也可以降低阻力系数,此时, 它的能耗将比单相流低。 .有松弛现象:在多相流动中,由于相间相互作用的结果使它们的速度及温 度相互接近而趋于平衡。这一类松弛过程出现在激波面后或固壁表面,就是所谓 的激波松弛或滑动松弛。 .有电磁效应:离解或导电的多相流,在电磁场中因离子与电磁波和物体相 互作用,会引起各种电磁效应,改变流场流动状况。 .数学描述难度大:多相流中,相间摩擦、传热、传质、化学反应等都发生 在微元体内部,相互作用强,因此,描述这类现象的守恒方程质量、动量、能 量和组分方程、辅助公式和定解条件,不仅数量多、形式复杂,而且方程组的 非线性程度和耦合程度都大为增加,这就给数值解法提出了新的问题和要求【。 ..多相流发展概况 在长期的生产实践中,人们积累了丰富的利用多相流动的经验:阿基米德 发明的蒸汽炮可以作为早期的实例; 年,鲍瑟内斯克 系统地研究了明渠水流中泥沙的沉降和输运;年,曼劳克研究了声 波在泡沫、液体中传播时强度的衰减。世纪年代,人们开始用比较统一的 观点,系统地研究和分析多相流动现象,两相流的名词开始出现在文献中。到了 年代后,有关流型研究、流动沸腾烧蚀、两相及多相边界层、流动阻力及压降、 激波在多相混合介质中传播、流化床技术、喷管流动等方面的论文大大增加,越 来越多的学者探索描述多相流运动规律的基本方程,有关多相流的专著也开始陆 续出版,如叶,、苏,、威廉斯,等。鲁丁格 在年以“气体.颗粒流基础” . 为题在比利时 冯卡门 流体力学实验室做了专题系列讲座,并在年整理成书出 版。国际多相流杂志.. 于年创刊,多相流也在 年出版。螺旋离心泵内气固液三相非定常流动的数值计算与分析 在国内,西安交通大学工程热物理研究所于年设立了多相流与传热研究 室,年建成动力工程多相流国家重点实验室【。近些年来国内其他高等学校 也进行了大量多相流方面的科研工作,以两相流研究较多,其中叶轮的运动规律、 叶轮内部磨损、蜗壳内的运动规律、叶片型线优化设计、外部特性研究、性能优 化等方面研究工作进展迅速。 ..多相流的研究现状 纵观多相流研究进展,大体上出现了四种趋势: 以气液、气固、固液、汽液两相流泵为主,进行了大量的数值计算和实验 研究,同时也逐渐展开了三相流的研究工作。韩伟等【】对机械搅拌式浮选机内部 气固液三相流流场进行三维数值计算,分析原型机流场存在的问题,对原浮选机 进行改型设计,改型后具有更高的浮选效率,试验结果与模拟预测结果比较吻合。 王飞等?】从数值模拟和试验研究的角度对新型脱硫除尘装置.伞罩型湿式脱硫除 尘器气液固三相的除尘特性进行研究,提出了气液固三相的\\ 模型。分析了气相速度场、气相压力场、固相速度场以及液滴质量浓度等的分布 情况,得到了除尘情况下装置内气液固三相的分布规律。数值模拟结果与试验结 果吻合良好。 为实际应用而开发新型的三相循环流化床;对床内的汽泡行为和粒子行为 进行基础研究。 和 等【】对气液固三相流化床内气泡尾涡的运动进行 了数值模拟。张建等【 】对颗粒和气泡之间的相互作用采用一种简单的碰撞模型, 对单个气泡的上升速度进行了模拟,提出了气泡的变形不可忽视。王德武等【】研 究了汽液固三相循环流化床蒸发器常见运行工况下颗粒与壁面的磨损特性。 对油气水三相流进行数值模拟。于莉娜等【】对内径垂直上升管内的 油气水三相进行了数值模拟。按油水界面特征和气液界面特征将油气水三相流划 分为水基分散泡状流、油基分散泡状流、水基分散块状流和水基分散段塞流四种 流型,给出了相应的流型结构图;计算了管道内径向含气率的分布,结果表明, 随着含气率的增加,流型的变化规律为:由泡状流到块状流再到段塞流;在水基 分散流型下,径向含气率最大值基本出现在管道中心位置附近,从而为油气水三 相流流动参数的准确测量提供了理论依据。 对气固液三相混合物燃烧转爆轰过程的实验研究。将丽等【】在大型水平管 道三相混合物燃爆实验中得到混合物质量浓度越小,稳定爆轰波速越大。 ..多相流的研究方法 常用的研究方法主要有理论分析、试验分析、数值模拟。在世纪年代 之前,理论分析和实验研究是主要的研究方法,后来随着电子时代的到来,数值 模拟在多相流研究领域占据着主要地位。 硕士学位论文 理论研究:在流体力学发展前期,理论分析方法是研究者用来建立多相流 动规律的统一的数学描述。但因其复杂的方程、有限的计算能力,理论研究一直 进展缓慢、突破甚少。 实验研究:测量流体参数和量示流动是实验研究的主要方法。探针和热线 热膜技术是流体参数测量的主要方法,具有探针等介入扰动真实流场的缺点,且 需要复杂的遥测技术将采集信号从转子传递到静止参考系。传统的流场显示技术 又可分为壁面显迹法、丝线法、示踪法和光学法四类。现代流动显示技术包括: 激光双聚测速仪,能够测量二维流动,测速范围广;激光多普勒测速仪 简,能够测量三维流动,可测出近壁区的流动,但只能 获得平均速度,需要选择合适的示踪粒子;粒子图像测速仪,能测量瞬时流 动,需要选择合适的示踪粒子,但由于受壁面反射光的影响,近壁区的测量结果 尚不理想:激光诱发荧光技术、激光分子测速技术和压敏涂层测压 技术等。其中和是目前应用最多的测速技术。 数值模拟:因其方便、快捷、可视化等,越来越多的研究人员近年来都热 衷于。通过这种“数值试验”,可以充分认识流动规律,方便地评价、选择多 种设计方案进行优化设计,并大幅度减少实验室和测试等实体试验研究工作 量【‘。 .非定常流动的研究现状 年英国在进行离心式压气机实验时首先发现了旋转失速旋转分离现 象【。它的出现引起了学术界的很大兴趣,拉开了非定常研究的序幕。从那以后, 世界各国许多流体力学和叶轮机等方面的学者进行了大量的实验研究来了解这种 流动现象的机理,并在这基础上进行了理论分析。最初,力求通过这些研究工作 来预示或避免这种不稳定流动现象的产生。但随着大量的实验研究工作的开展, 发现这种不稳定的非定常流动现象本身是很复杂的,它是三维的非定常的分离流 动,而且影响因素种类繁多,所以想完全从理论上来解决没有达到预想的目的。 但是经过大量的实验研究和理论分析,对不稳定工作状态下流动结构有了较为深 入的了解和认识。 目前,由于新的实验研究筹办不易,而数值计算则比较方便,非定常流 动边界层计算就是在几乎没有实验配合下进行的,在湍流研究中也是如此。 目前三维非线性非定常流动研究的趋势是:根据具体问题寻求特殊的求解方 法。主要的研究课题是:非线性、分离造成的涡流、复杂的边界条件、跨声 速流动、三维流动、有激波和有粘性的流动等。 近年来对分离的涡流做了许多实验研究,比如用活塞式的装置在液体中 造一个或一串涡进行观察和测量;用多分量激光测速仪测量二维非定常分离 流动的速度分布;用氦气泡流动显示技术研究三个三角机翼相互作用时的前螺旋离心泵内气固液三相非定常流动的数值计算与分析 缘分离现象,等等。此外,对磁场中导电流体的非定常流动以及太阳风中某 种脉动机制也作了一些新的实验研究【 。。理论方面用准涡格法计算了具有分离涡流的单独机翼上的非定常流动; 用特征面上的相容关系计算了无粘性可压缩三维流动;用积分关系法或有限 元法简化差分格式产生一些混合方法,计算了有激波的一维非线性问题。此 外,还得到几个新的解析解:有抽吸的多孔平板运动造成的二维不可压缩非 定常流动纳维一斯托克斯方程的解析解;静止液体内球状或柱状涡的运动和 扩散轨迹的解析解。由于非定常流动范围很广,涉及因素很多,因此非定常 流动的研究显得分散。 泵体内部的非定常流动特性也一直是国内外相关学者的研究热点。 和】等的研究表明,在导叶式离心泵中,动静干扰使叶轮出口流场产 生压力脉动,且在叶轮与导叶之间的径向间隙较小时产生较大的压力脉动。 】等对双吸离心泵进行了非定常数值模拟和试验,结果表明泵体内部的 压力脉动会引起径向力的周期性波动,产生较大的振动和噪声。】等 对离心透平泵内动静干涉引起的振动频域进行了研究,并分析了引起振动的原因。 在国内方面,西安交大陈党民等【】采用滑移网格技术对部分流泵进行了整机 非定常流动数值计算,分析了叶轮、蜗壳内典型的非定常流动规律。中国农业大 学王福军等【】运用大涡模拟对轴流泵不同工况下的压力脉动进行了数值模拟。南 京工业大学邵春雷等【】分析了蜗壳式离心泵不同蜗壳截面上的压力脉动规律。江 苏大学张德胜【 、施卫东【】 等基于对高效轴流泵内部定常和非定常流动特 性进行了研究。总的来说,由于泵体内部的流场分布十分复杂,其内部动静干涉 机理仍处于理论计算和实验研究阶段。 然而,随着计算机的迅速发展以及理论研究和实验研究的进一步配合, 非定常流动的研究会有更快的发展。 .气固液三相流的研究现状 近几十年来,由于传统工业和新兴工业的迅速发展,三相流动的研究和应用得 到了广泛地重视。关于油气水、流化床、管道运输等方面的三相流动研究已迅速 展开,其中最采用最多的方法是数值模拟与外特性实验研究,例如韦章兵、徐守 坤等进行了气液固多相流对离心泵性能影响的试验研究。通过对泵输送固液、 气液、气液固多相流体时扬程、效率、功率和汽蚀性能变化的试验结果分析,探 索固相、气相对离心泵性能的影响和作用机理,有助于离心泵内多相流的深人研 究;研究表明固相对离心泵性能的影响是连续的、均匀的,与其浓度相关,气相 对离心泵性能影响较大并与含气量及液相流量有关,三相流时的情况更复杂,受 气、固相联合作用的影响。 硕士学位论文 由于其本身方程固有的复杂性和现阶段计算能力的有限性,多相流理论研究 一直没得到重大突破。数值模拟方法现有的许多模型存在着种种假设限制,只能 适用于特定的情况。另外,内流场实验研究筹办不易且耗资大,测量受示踪 粒子、壁面反光影响测量难度大等问题使较多数值模拟是在没有相关实验的配合 下进行的,其得出的结果在精准度方面还有待提高。 三相流的实际应用十分常见,而且通常与湍流有关。由于扩散相的存在,湍 流多相流的实验和数值模拟都要比单相流复杂得多。目前,湍流多相流数值 模拟 . 广泛采用的是雷诺平均法 ,,但对于非定常 问题,由于时间平均的雷诺方程和湍流模型是基于涡粘性假设提出的,认为湍流 粘性各向同性,故在求解复杂湍流流动时具有一定的局限性。而逐渐被引入到多 相流研究中的大涡模拟方法 ,则在求解非定常压力脉动 方面被证明具有特殊的优势。同时,近年来兴起的细观的直接模拟法 ,,由于其计算量相当大,目前虽不能或难以直接普遍用 于工程中,但是可以揭示湍流的产生和发展的细节,可用来检验和改进模 拟的封闭模型。 至今尚无一个计算模型可以适用于各种情况下的三相流动,因而,各国学者 提出了一系列模型以作为各种工况下的计算模型。例如: 和等【】利用液固拟均相的二维双流体模型,以液相湍流.口 模型为基础,对气相的湍流模拟采用局部跟踪理论,模拟了气液固三相桨状流动, 得到与实验数据一致的结果,并建立了经典的模型控制方程组。 罗运柏等【及 等【】采用拟均相的处理方法,把固相看成液体的 一部分,把气液双流体模型应用于气液固三相流动,并引入有效性质加以修 正。 但是这些模型无法准确地描述三相流动中相与相之间相互耦合的复杂关系。 .等【】把气、液、固三相分别看成三种可以互相渗透的流体, 提出了三流体模型。该模型虽然比双流体模型较为合理地考虑了气液固三相之间 的相互作用,但是在对固相进行流体化处理时,仍对固相粘度进行了经验化处理, 并且这种处理与固相粒子分散性的本质特点相违背。 闻建平等【在坐标系中考虑了气液两相,利用双流体模型来表述气、 液两相的相互作用;同时在坐标系中考察了颗粒的运动,把颗粒对气、 液两相的影响耦合于双流体模型中,提出了\\模型对三相湍流 流动进行了模拟,为研究气液固三相湍流流动提供了一种新的途径。 到目前为止,无论在理论还是方法上,这方面的研究尚处于发展阶段,在今 后一个较长的时间内,将继续是一个各抒己见,实验性强,充满着机会和突破的 学术领域。螺旋离心泵内气固液三相非定常流动的数值计算与分析 .螺旋离心泵的发展概况与研究现状 上世纪六十年代初,为适应秘鲁渔业发展和输送的要求,瑞士工程师马丁. 斯塔歹 发明了带有螺旋型叶轮的螺旋式离心泵 .这种泵由于在输送污水时具有明显优势,很快应用到污水处理的各个场合。 ..螺旋离心泵的特点 螺旋离心泵的独特之处在于螺旋离心叶 轮,其进口部分为螺旋叶片,有容积泵的作 。 用,出口部分近似混流式叶片,离心部分在 蜗壳内将叶轮能量转化成输送介质的压力能, 在性能方面其具有螺旋泵和离心泵的双重优 点图.为螺旋离心泵结构图。 开放式的过流通道使螺旋离心泵具有容 易输送固体物及长纤维等介质、不堵塞、 图. 螺旋离心泵结构图 高效率等优点,其和其它同类泵相比,优 吸入法兰 叶轮 出口法兰 势如下: 蜗壳 泵轴 吸入壳体 无堵塞:从叶轮吸入口到泵出口, 螺旋段 离心段 过流断面的面积均大于泵吸入口截面面积, 且截面没有剧变。“炮弹状”的固体物能从其独特的流道通过而无堵塞,最大 可通 过的物料直径达泵进口直径的百分之八十五。 无损:多相介质受均衡的螺旋力作用在流道中逐渐向前推进,流动方向缓 慢变化,无突变,流动平稳,对输送介质的破坏性小,常用来输送水果、鱼虾。 高效率,高效区宽:试验调查表明,其效率高出其它同类杂质泵%以上, 并且高效率的流量范围大。 功率曲线平坦:流量变化对功率曲线随影响不大,一般情况下无过载问题。 调节性能良好:流量.扬程曲线近似于一条下降的陡直线,其小流量变化 可获大扬程变化,保证了泵的稳定运行,扩大了其使用范围。 吸入性能良好【】:抽送含气量%以下的介质时,泵的性能和运行状况基 本不变,当达到%含气量时,泵仍能运行,但出现断断续续的振动。 抗空蚀性能好:叶轮进口边向吸入口最大程度地延伸,使叶轮较早作用于 流体介质上,吸入口到叶轮进口边压降减小,抗空蚀性能提高。 磨蚀小,过流部件寿命长【】:泵内流速低且流速方向与值大小变化缓慢, 大幅度抑制了涡流,引起叶轮和泵体破坏的空蚀和磨损被消弱,提高了泵的 寿命。 抽送高浓度介质 抽送高粘度介质硕士学位论文 噪声特性良好【 :其以低频噪声为主,级别为级,受流量变化影响小, 在全流量范围内都噪声特性良好。 鉴于以上优点,螺旋离心泵已在造纸业、渔业、糖业、食品、冶金、环保、 化学工业等各行业和污水处理作业中广泛应用,并日益体现出其独特的优越 性, 成为当前重要的新型杂质泵;但其研究很不充分,还没有完善的设计方法,因 而 对其进行研究是很有必要的,以便为螺旋离心泵的设计提供参考。 ..螺旋离心泵的理论研究 国外对螺旋离心泵的研究较早,研究方法较多,成果也相对较多,日本的峰 村等人采用有限元法对内部三维流动进行了三维计算,同时分析了气泡及固体微 粒在泵内的运动,建立了能预测泵的性能及内部流动状态的三维模型【;韩海、 田中等人考虑了螺旋离心泵叶轮和蜗壳之间的相互作用,用有限体积法对二者之 间的内部流动同时进行了数值模拟,并与实验结果进行了比较,发现所采用的数 值计算方法计算结果与实验结果吻合较好【】。荒井和田中等人分别研究了三种螺 旋形叶轮的轴向受力问题,分析了由于叶轮的不对称性所带来的螺旋离心叶轮轴 向力与径向力的变化规律,为合理设计轴的强度以及选择轴承提供了有参考价值 的依据。 国内对螺旋离心泵的研究起始于年代,朱荣生、关醒凡根据多年的研究成 果提出了一套确定螺旋离心泵叶轮几何参数的经验公式,用于产品开发【:陈红 勋、朱荣生以两种不同的方法对叶轮的结构参数进行了定义,在此基础上提出这些 结构参数的确定方法【。何希杰、劳学苏提出了螺旋离心泵叶轮叶片工作面 和负 压面空间曲面方程和具体的水力设计方法,对于螺旋离心泵的研究和设计具有实 。。 际意义【】;王家斌等介绍了螺旋离心泵叶轮的静平衡方法,实践证明是可行的【 ..螺旋离心泵的实验研究 日本的田中和博、迟尾茂等人针对输送高粘度介质时对螺旋离心泵性能的影 响进行了实验研究,发现在低雷诺数~的条件下,螺旋离心泵与普 通离心泵一样具有高效率的特点【引。在内部流动方面,日本的田中等人采用透明 的有机玻璃蜗壳,对螺旋离心泵叶轮轮毂附近的流动状态进行了观察,发现在叶 轮轮毂附近存在着大量回流;依藤等人采用油膜法进一步观察了泵内流动状态【引。 我国的郭乃龙、关醒凡等人也采用表面油流法对其内部流动进行了定性观察 。韦章兵等建立了研究气固液 和定性分析并提出了改进螺旋离心泵结构的设想【 多相流对离心泵性能影响的开式试验台,提出了测量多相流压力和流量的方法并 建立了相应的测量系统,对型泥浆泵在抽送不同介质时的能量性能及空蚀性 能进行了测量【】;吴玉林对三叶片叶轮的渣浆泵进行了实验,研究表明当浆 体浓 度较低时,固相的存在对液相的流态影响很小,但会造成叶轮出压力的降低, 螺旋离心泵内气固液三相非定常流动的数值计算与分析 浆体浓度越大,压力降低越多;郭天恩、陈仰吾等人对螺旋离心泵的结 构特性进行了实验研究,着重分析了系统常温清水时的水流特性,指出了螺旋离 心泵的优缺点及相应的结构改进措施【】;陈仰吾等人对其结构参数在清水时进行 了实验研究,并描述了相应的性能曲线【引。 ..螺旋离心泵内部流场观测 国内外对螺旋离心泵内部流场的实验研究都很少,日本的田中和伊藤分别 采用透明蜗壳和涂油膜的方法对螺旋离心泵内部流动进行了观测,得出如下结论: 一、叶片进口附近存在边界层剥离和气泡,轮毂和圆锥体表面有较大的回流;二、 气泡群是沿轴向被引到轮毂处,这意味着固体物与气泡群的运动是一样的,不会 在叶轮和前盖板的间隙中间产生堵塞;三、在小流量时,流道大部分区域内存在 涡流,叶轮的离心作用减弱,性能下降【】;关醒凡等人也采用油膜法对螺旋离 。 心泵的内部流动进行了观测,总结了螺旋离心叶轮内部的流动规律和泄漏规律【 .本课题主要研究内容概述 目前对于螺旋离心泵的数值模拟主要集中在定常、非定常、单相和两相情况 下,虽然能在一定程度上反应内部流场的特性,但是螺旋离心泵作为一种常用高 效杂质泵,实际应用中的介质往往不仅仅是清水或固液两相,为了更真实地反应 其内部复杂流动,进行螺旋离心泵内非定常气固液三相流的数值模拟是很有必要 的,以便为螺旋离心泵的设计及今后的三相流实验研究提供一定参考。为此本文 做了下例工作: 利用/建立螺旋离心泵的三维模型;利用进行网格划分;选择 合适方法利用软件进行非定常数值模拟。 进行螺旋离心泵内非定常气固液三相流的数值计算与分析 进行不同流量下气固液三相流的数值计算与分析 进行不同气相浓度下气固液三相流的数值计算与分析 进行不同固相浓度下气固液三相流的数值计算与分析 硕士学位论文 第章软件原理 计算流体动力学 ,简称是通过计算机数值 计算和图像显示,对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。 的基本思想为:把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场,如速度场和 压力场,用一系列有限个离散点上变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式 建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组,然后求解代数方程组获 得场变量的近似值。 . 模型的数值求解方法概述 经过四十多年的发展,出现了多种数值解法,这些方法主要区别在于对 控制方程的离散方式。根据离散原理不同,大体分为:有限差分法,、有限体积法 ,、有限元法 ,。下面简要介绍各种方法。 .有限差分法:是应用最早、最经典的方法,它将求解域划分为差分 网格,用有限个网格节点代替连续的求解域,然后将偏微分方程的导数用差商代 替,推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。求出差分方程组的解,就 是微分方程定解问题的数值近似解。它是一种直接将微分问题变为代数问题的近 似数值解法,较多用于求解双曲型和抛物型问题。 .有限元法:世纪年代开始应用的数值解法,它吸收了有限差分法中 离散处理的内核,又采用了变分计算中选择逼近函数对区域进行积分的合理方法。 有限元法因求解速度较有限差分法和有限体积法慢,因此应用不是特别广泛。 .有限体积法:有限体积法是将计算的区域划分成一系列控制体积,将待 解微分方程对每一个控制体积积分得出离散方程。用有限体积法导出的离散方程 可以保证具有守恒特性,而且离散方程系数物理意义明确,计算量相对较小。有 限体积法吸收了有限差分法和有限元法的一些重要思想和技巧。由于它可以方便 的利用多种类型的网格结构网格和非结构网格,从而非常适用于处理复杂计算 区域,目前是应用最广的一种方法。是最早投入市场的有限体积法 软件,、.和都是常用的有限体积法软件,他们在流动、传热 传质、燃烧和辐射等方面应用广泛。 .流场数值解法 对离散后的控制方程组的求解可分为耦合式解法和分离式解法。在多相流模 型中没有耦合式求解器,所以对耦合式解法不作介绍。分离式解法不直接解联立螺旋离心泵内气固液三相非定常流动的数值计算与分析 方程组,而是顺序地、逐个地求解各变量代数方程组。目前工程上使用最广 泛的 分离算法是压力修正法,其实质是迭代法,具体格式包括、和 等。 .. 算法 算法基于交错网格,所谓交错网格是指将速度分量和压力在不同的 网格系统上离散。算法由与于年提出,是一种主 要用于求解不可压缩流场的数值方法也可用于求解可压流动。它的核心是采用 “猜测一修正”的过程,在交错网格的基础上来计算压力场,从而达到求解动量方 程.方程的目的。其基本思路可描述如下:对于给定的压力场它可 以是假定的值,或是上一次迭代计算所得到的结果,求解离散形式的动量方程, 得出速度场。因为压力场是假定的或不精确的,由此得到的速度场一般不满足连 续性方程,因此,必须对给定的压力场加以修正。修正的原则是:与修正后的压 力场相应的速度场能满足这一迭代层次上的连续性方程。据此原则,我们把由动 量方程的离散形式所规定的压力与速度的关系代入连续方程的离散格式,从而得 到压力修正方程,由压力修正方程得出压力修正值。接着,根据修正后的压力场, 求得新的速度场。然后检查速度场是否收敛。若不收敛,用修正后的压力值作给 定的压力场,开始下一层次的计算。如此反复,直到获得收敛的解。 在上述求解过程中,如何获得压力修正值即如何构造压力修正方程,以及 如何根据压力修正值确定“正确”的速度即如何构造速度修正方程,是 算法的两个关键问题。算法自问世以来,在被广泛应用的同时,也以不 同方式不断地得到改善和发展,其中最著名的改进算法包括、 和。 .. 算法 算法与算法的基本思路一致,仅在通量修正方法上有所改 进,加快了计算的收敛速度。是英文 的缩写,意为 协调一致的算法,由 和提出。 在算法中,为求解的方便,略去了速度修正方程中的?口。。甜’。。项, 从而把速度的修正完全归结于压差项的直接作用,这一作法虽然并不影响收敛解 的值,但加重了修正值的负担,使得整个速度场迭代收敛速度降低。实际上,当 我们在略去?%。材’。。时。犯了一个“不协调一致”的错误,为了能略去%。 “’。。而同 时又能使方程基本协调,方程可简化为: . ?一?%甜’“??%’。。一甜。’??一,硕士学位论文 可以预期,’刖与相邻点的修正值扰’枷具有相同的数量级,于是有: . 州/谚/,/一,/ 其中:而。一乙 同理,有: . 订。、一 、 其中: . ’ 意 得出修正后的速度计算公式为: . ,,,,‘谚?。,一 . %,』“‖,/‘,’卜/一尸’,, 这就是算法,它与算法的计算步骤相同,只是速度修正 方程中的系数项的计算公式有所区别。 由于算法没有忽略?“’。项,所以得到的压力修正值’一般比 较合适。因此,可不对’进行欠松弛处理。 .. 算法 是英文的缩写,意为压力的 隐式算子分割法。算法是于年提出的,起初是针对非稳态可压流 动的无迭代计算所建立的一种压力速度计算程序,后来在稳态问题的迭代计 算中 也较广泛地使用了该算法。算法与、算法的不同之处在 于:和算法是两步算法,即一步预测和一步修正;而算 法增加了一个修正步,包含一个预测步和两个修正步,在完成了第一步修正 后寻 求二次改进值,目的是使它们更好地同时满足动量方程和连续方程。算法由 于使用了预测.修正.再修正三步,从而可加快单个迭代步中的收敛速度。 算法要两次求解压力修正方程,因此,它需要额外的存储空间来计算二 次压力修正方程的源项。尽管该方法涉及较多的计算,但对比发现,它的计算 速 度很快,总体效率比较高。对于瞬态问题,算法有明显的优势,而对于稳态 问题,可能选或算法更合适。 和通常用于定常流计算。在每个迭代步中增加了 动量修正和网格畸变修正过程,在每个迭代步中的计算量大于算法和 算法,但是由于每个迭代过程中获得的压强场更准确,所以使得计算收螺旋 离心泵内气固液三相非定常流动的数值计算与分析 敛得更快,也就是说获得收敛解需要的迭代步数大大减少了,用于非定常 计算,也可以用于定常计算。在用湍流模型计算湍流问题时,不应该选择 格式,那样会增加系统资源消耗。格式的另一个优势是可以处理网格 畸变较大的问题。如果在格式中使用邻近修正 ,可以 将亚松弛因子设为.或接近于.的值。而在使用畸变修正 时,则应该将动量和压强的亚松弛因子之和设为.,比如将压强的亚松弛因子 设为.,将动量的亚松弛因子设为.。如果同时采用两种修正形式,则应将所 有松弛因子设为.或接近于.的值。 在大多数情况下都不必修改缺省设置, 而在有严重网格畸变时,可以解除邻近修正和畸变修正之间的关联关系。 本课题所有数值计算均采用算法。 .活动变形区域中的流动计算 计算静子与转子的干扰问题时,无论怎样设置参考系,都会遇到固体边界随 时间变化的问题。用于这类问题计算的模型包括多重参考系 技术。其 ,模型、混合面 模型、滑移网格 中模型和混合面模型用于定常流计算。 ..网格技术 .多重参考系模型:计算中,边界上的速度必须是相同的。 模型的注意事项: 最好不要与缸 模型配合使用。 活动网格区域在与相邻区域的交界面上的法向速度应该为零。 最好在定常流计算中使用,而非定常流计算在滑移网格模型进行计算。 在采用相对速度定义时,无质量粒子的迹线显示是有意义的,而有质量粒 子,包括弥散相粒子的迹线显示是无意义的。因此在需要跟踪粒子轨迹时,最好 采用绝对速度定义。 在采用相对速度定义时,对轴对称旋流的计算不够精确。 模型中的平移速度和旋转速度是常数,即边界上速度应该是“均匀”的。 .滑移网格技术 滑移网格技术,处理的通常是带有周期性的问题。基本思想:在滑移网格计 算中,计算域至少包含两个以上存在相对运动的子域。每个运动子域至少有一个 与相邻子域连接的交界面。原则上交界面形状是任意的,但在实际计算中,交界 面的实际形状都设计成在滑移后相邻子域不能相互重叠的形状,或者说交界面上 的运动速度必须与交界面相垂直。滑移网格计算中采用非正则网格技术,即交界 面两侧子域在交界面上不共用网格节点,因此内部区域不是用交界面两侧的网格 面直接构成的,而是通过子域间的相对移动量重新计算得出内部区域的边界位置。 硕士学位论文 因为滑移网格技术通常用于非定常问题的计算,所以计算过程中应该注意保 存每个时间段的算例文件和数据文件。如果计算的是周期性流动问题,比如旋转 机械问题,则在计算开始的时候可以采用大的时间步长以缩短开始阶段的不稳定 过程,在计算稳定下来后再减小时间步长以保证时间精度,同时每隔一个周期观 察一下流场变量的变化。如果变化逐渐缩小,说明计算是稳定的。在变化量小于% 时,可以认为计算已经收敛。 ..壁面函数和近壁模型 用半经验公式将自由流中的湍流与壁面附近的流动连接起来,这种方法被称 为壁面函数法。另一种方法是通过在壁面附近加密网格,同时调整湍流模型以包 含壁面影响的方法,被称为近壁模型法。壁面函数法中又有壁面函数法和非 平衡壁面函数法。一般地说,标准壁面函数可以适用于大多数流动问题,因此也 是中缺省设置的方法。非平衡壁面函数法则适用于流场函数在壁面附近 存在很大梯度的流动问题。壁面函数法适用于高雷诺数流动,近壁模型法适用于 低雷诺数流动。 基于以上考虑,本文选用滑移网格技术和标准壁面函数法。 ..离散格式 隐式格式将未知的流场变量密度、速度、能量等同已知量之间的关系用方程 组的形式加以表达,然后通过求解方程组获得未知变量的值。显式格式则是将未 知的流场变量写作已知量的显式函数形式,因此每个变量可以用一个方程单独进 行求解。 分离算法中,每个流场变量是独立进行求解的,求解过程中采用隐式格 式在各个网格点上单独进行求解。耦合算法中既可以用显式格式,也可以用隐式 格式。 一阶迎风格式适用于结构网格,具有稳定性高,计算速度快的优点,但是在 网格方向与流动方向不一致时,产生的数值误差比较大。在非结构网格计算,或 流场比较复杂的情况下应该选用二阶格式。可以在计算开始时先用一阶格式进行 计算以获得一个相对粗糙的解,在计算收敛后再用二阶格式完成计算以提高解的 精度。中心差分仅在使用湍流模型时可以使用,并且应该在网格足够密集的 情况下使用。 压强插值格式的选择: .彻体力对流场有很大影响时, 应选择彻体力加权..格式。 .在流场中有涡量很大的集中涡、高雷诺数自然对流、高速旋转流、多孔介质, 以及流线曲率很大时,应该选择格式。 .对于可压流,应该使用二阶格式。二阶格式不用于多孔介质计算和多相流计 算中的混合物及模型【。在其他情况下,为了提高精度可以选用二阶格式。螺旋离心泵内气固液三相非定常流动的数值计算与分析 .多相流模型 提供了三种多相流模型 : 模型、混合模型和欧拉模型。 .. 模型 该模型通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的容积比来模拟 两种或三种不能混合的流体。方法适于计算空气和水这样不能互相渗混的流 体流动,比如射流破裂过程、大型气泡在液体中的运动、大坝溢流以及追踪气液 自由表面的稳态和瞬态问题等。 在中使用模型具有如下限制: .只能采用分离式求解器;.所有的控制体积必须充满单一流体相或者相的 联合,不允许在空的区域中没有任何类型的流体存在;.只有一相允许被定义为 可压缩理想气体,但是不限制使用定义可压缩液体相;.周期性流动问题不 能和模型同时计算;.二阶隐式的时间格式不能用于模型;.组分混合 和反应流动问题不能和模型同时计算;.大涡模拟湍流模型不能用于 模型;.不能用于并行计算中追踪粒子;.无粘流动不能使用模型;.壁面 壳传导模型不能和模型同时计算。 另外,模型通常用于计算瞬态问题。但是对于只关心稳态解的问题,如 求解不依赖初始条件并且各相有明显的流入边界的问题,它可以执行稳态计算。 例如,槽道项部有空气的水的流动与分离的空气入口可以采用稳态公式计算,而 旋转杯子中的自由表面形状依赖流体的初始状态,就必须采用非定常计算。 .. 模型