【摘 要】
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聚乙烯作为人们日常生活中必不可少的高分子材料,被广泛应用于众多领域。其中,高密度聚乙烯由于性能优良而在聚乙烯材料中占据重要地位。淤浆法聚乙烯环管工艺由于操作简单、流程较短而被广泛应用于高密度聚乙烯的生产。其中,环管反应器作为淤浆法聚乙烯环管工艺中的核心设备,其性能的好坏直接影响着淤浆环管工艺产能的大小。轴流泵作为乙烯聚合环管反应器内的唯一动力设备,其运行稳定性对环管反应装置的稳定运行有着重要影响。
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聚乙烯作为人们日常生活中必不可少的高分子材料,被广泛应用于众多领域。其中,高密度聚乙烯由于性能优良而在聚乙烯材料中占据重要地位。淤浆法聚乙烯环管工艺由于操作简单、流程较短而被广泛应用于高密度聚乙烯的生产。其中,环管反应器作为淤浆法聚乙烯环管工艺中的核心设备,其性能的好坏直接影响着淤浆环管工艺产能的大小。轴流泵作为乙烯聚合环管反应器内的唯一动力设备,其运行稳定性对环管反应装置的稳定运行有着重要影响。工业运行结果表明,高密度聚乙烯环管反应器内轴流泵在运行时会出现轴功率波动过大的不稳定问题。为解决工业环管反应器内轴流泵运行时出现的轴功率波动过大的不稳定问题,本文采用计算流体力学（CFD）模拟的方法,对多种结构、多种工况下的轴流泵进行数值模拟,探究轴流泵内的流场特性以及运行不稳定的原因。主要内容与成果包括:（1）通过CFD稳态模拟计算研究了清水工况下叶片数与叶片安装角对轴流泵扬程、效率及泵内流场稳定性的影响。研究结果表明:CFD计算所得扬程-流量特性曲线、效率-流量特性曲线变化趋势与文献中结果一致,模拟结果具有一定的准确性。轴流泵扬程随叶片数的增加而增加,随叶片安装角的增大呈先减小后增大再减小的趋势;轴流泵效率随叶片数增加而减小,随叶片安装角的增大呈先增大后减小再增大的趋势。当轴流泵叶片数为4时,叶片安装角为0°的轴流泵性能较优,可以同时兼顾较高的扬程与效率。随着叶片数的增加,轴流泵内液体流线分布变得更加均匀有序。随着叶轮直径的减小,轴流泵内液体流线分布逐渐变得紊乱,扬程与效率均逐渐降低。随着流量的增加,泵内流场混乱程度逐渐减小,流动分离现象逐渐减弱。流体流动分离不仅能造成大量能量损失,使得轴流泵扬程降低,严重时还会导致泵内出现回流现象,形成结构不稳定的涡旋,导致流场混乱程度增加,稳定性下降。（2）通过CFD稳态模拟计算研究了清水工况下环管对轴流泵扬程特性曲线和泵内流场稳定性的影响,同时,通过CFD稳态模拟计算研究了流体粘度对环管反应器内轴流泵扬程特性曲线和泵内流场稳定性的影响。研究结果表明:CFD计算得到的扬程与实验测量值吻合较好,模拟结果具有一定的准确性。环管导致轴流泵进口管内液体流线分布不均匀,使得泵叶片对液体做功的影响程度有所降低,导致泵扬程有所下降。轴流泵输送介质的粘度越低,泵的扬程越大,效率越高。（3）通过CFD非稳态模拟计算研究了液固两相流工况下环管反应器内轴流泵的流体力学稳定性。研究结果表明:CFD计算压降值与Newitt压降公式计算得到的压降值吻合较好,模型具有一定的准确性。颗粒的加入对轴流泵的流体力学稳定性有显著影响,且轴流泵扬程的波动主要受叶片上固体颗粒相浓度的波动的影响。当环管反应器中固体体积分数小于0.29时,泵扬程波动随环管反应器中固体体积分数的增加而增大;当环管反应器中固体体积分数大于0.29时,泵扬程波动随环管反应器中固体体积分数的增加而减小。更进一步的,泵扬程与叶轮内固体体积分数呈负相关关系,且颗粒浓度越大,相关性越大。此外,在弯管的偏析作用、二次流的分散作用以及轴流泵叶片的旋转作用下,颗粒相在环管反应器的上升直管段内形成一条具有一定厚度的螺旋颗粒带,并伴随低颗粒体积分数的单涡或双涡流动结构的出现。（4）通过CFD稳态模拟计算研究了真实反应体系工况下进口流量与空化数对轴流泵流场特性的影响。研究结果表明:CFD计算所得空化特性曲线与文献中空化特性曲线一致,模型具有一定的准确性。随着流量的减小,临界空化数（σi）逐渐增大。当轴流泵内空化数小于临界空化数时,泵性能随着空化数的减小将大幅度下降,为保证轴流泵能在高性能工况下运行,建议环管反应器内轴流泵空化数不要低于25。空化的发生会导致泵内液体流动轨迹发生偏移,进而引起流动分离现象的发生,空化严重时甚至产生大量涡旋,使得轴流泵流场变得更加复杂与不稳定。流动分离与涡旋结构会造成大量能量损失,使得轴流泵性能降低。
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