基于颗粒受力分析的离心泵内固液两相流动数值模拟

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1、基于颗粒受力分析的离心泵内固液两相流动数值模拟NumericalSimulationofSolid-liquidTwo-phaseFlowinCentrifugalPumpBasedontheParticleStressAnalysis浙江理工大学硕士学位论文基于颗粒受力分析的离心泵内固液两相流动数值模拟摘要固液两相离心泵作为一种重要的水力机械，被广泛地应用于固液混合物输送。随着国民经济的发展，固液两相离心泵也越来越多使用于污水处理，石油化工输送，水力清淤以及农业灌溉等领域。然而在实际工程应用中也显露

2、出了诸多不足：在偏离设计工况运行时，容易出现能耗过大以及效率偏低、过流部件磨损严重等问题，并进而引起可靠性变差降低使用寿命等。由于固液两相流动的复杂性和特殊性，以往单单依靠理论与经验设计对泵进行设计，在要求较为严格的情况下，无法精确的保证其水力性能因而这就需要对两相流动的规律进行系统的分析，改善对两相流的理论研究，并进一步优化提升水力机械的设计性能，因而基于数值模拟的方法对泵的内部流动进行深入研究有着十分重要的意义。本文以固液两相离心泵为研究对象，在考虑液相与固相颗粒之间相互作用的前提下，采用离散颗粒

3、模型对离心泵固液流场中粒子的运动进行数值计算，对颗粒的运动轨迹、固液两相对过流部件磨损进行了计算分析。主要研究内容及结果如下：1.利用Pro/E三维建模软件完成了对固液两相离心泵的蜗壳及其叶轮的建模，使用ICEM完成对模型的网格划分，最后利用Fluent数值分析软件分别对离心泵进行了清水和固液两相工况下的流场进行数值模拟，并对得到的结果进行研究；2.分析固相两相流中颗粒的受力情况，归纳不能忽略的受力，通过与流动阻力的量级对比，筛选计算所需考虑受力，同时得出颗粒的固相参数直径同作用力的关系，最后在此基础

4、上确定计算选用的两相流模型；3.先用Mixture模型将固相部分作为连续相对不同直径下离心泵内部固液两相流场进行数值模拟，基于模拟结果对泵的外特性做出预测。然后采用DPM模型将固相作为离散相，计算颗粒直径相对较大的情况下泵内部两相的运动情况，着重考虑固相直径和浓度对泵各项特性的影响。最后建立磨损模型，对泵内各部位的磨损情况进行分析。固相颗粒的直径和固相浓度均对泵内部压力的分布产生影响，但是粒径与浓度的增加均使泵内压力减少。粒径变化对其轨迹也产生影响，当颗粒较小时，颗粒同叶轮及其流道的碰撞次数较少，随着

5、颗粒直径的增大，颗粒与叶轮碰撞次数增多。颗粒直径与固相浓度对各过流部件的磨损速率影响也不同，泵内不同位置磨损速率均随体积分数的增加而增加；随着颗粒直径的增加，蜗壳内磨损速率呈下降趋势，叶轮流道内部则随部位的变化不尽相同。关键词：离心泵；离散相模型；数值模拟；Basset力；磨损I浙江理工大学硕士学位论文基于颗粒受力分析的离心泵内固液两相流动数值模拟AbstractSolid-liquidtwo-phasecentrifugalpumpisoneoftheimportanthydraulicmachin

6、ery.Withthedevelopmentofthenationaleconomy,itiswidelyusedinvariousfieldssuchaswastewatertreatment,urbanwatersupply,petrochemicaltransportation,waterdredgingandagriculturalirrigation.However,withthewidelyuseofthecentrifugalpumpinpracticalengineeringsitua

7、tions,manydeficienciesofitemerged:excessiveenergyconsumptionandlowefficiencyoccurswhenitatoff-designconditions,flowcomponentsseverewearleadtopoorreliability.Forthereasonofthecomplexflowpatternintwo-phaseflow,itisessentialtosystematicallystudythelawoftwo

8、-phaseflow.Itwillimprovethestudyoftwo-phaseflowtheoryandfurtherimprovethedesignofhydraulicmachinery.Whenthepracticalapplicationhasmorestringentrequirementsforthedesign,onlyrelyingontheexperiencetodesignthepumpcannotpreciselyguara