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含细颗粒泥沙两相流动现象普遍存在于工业及农业生产过程中,当颗粒小于某一粒径的时候,泵的扬程及流量会有提高,对这一现象,其内部流动机理尚未被揭示,并且未针对这一现象进行数值模拟及分析。本文从细颗粒泥沙絮凝的角度,对这一现象进行探索式解释。选择微米量级尺度上不同粒径及10%颗粒体积浓度以内条件下溶液作为考察对象;在叶轮机械类型的选择上,以离心泵作为研究对象,围绕固液两相流动理论、细颗粒泥沙絮凝机理等问题进行研究。基于Eulerian-Eulerian“双流体”模型观点,应用CFD软件Fluent对离心泵细颗粒泥沙固液两相流进行了数值模拟。给出了离心泵全流道内的绝对速度、相对速度、静压、总压、固相体积浓度、湍流黏度、湍动能和湍流强度分布规律;分析了离心泵内固—液两相流场随颗粒直径和颗粒体积浓度的变化规律并与清水单相流情形进行了对比。主要工作如下:
1、详细阐述论文研究的理论及工程应用背景,提出研究的目的及意义;在大量阅读国内外相关研究文献基础上,分析目前固液两相流动及其在叶轮机械内部研究的现状;归纳总结泥沙絮凝相关理论,在此基础上,提出本文采用的主要研究手段和主要内容。
2、结合多学科知识分析总结泥沙减阻与絮凝的关系、絮凝理论的发展、粘性泥沙絮凝机理、絮凝动力学、细颗粒泥沙絮凝的影响因素。
3、以传统的两相流体动力学理论为指导,在分析比较了描述两相流动的各种主要模型后,认为双流体模型中的连续介质模型可以较完整和详细地描述复杂的固液两相流动过程,以此理论构建合理的物理模型,并在此基础上,建立固液两相流动的基本方程组,在方程中计入因叶轮旋转而产生的离心力和科氏力等惯性力的作用,构建泵内固液两相流动的数学模型。
4、根据模型泵设计及结构参数运用三维造型软件PROE对其进行三维造型,并利用预处理软件ICEM对泵内部流道区域划分网格。
5、基于Eulerian多相流模型和混合的RNGk-ε两方程湍流模型,采用滑移网格技术,对模型泵内的两相流场进行了全三维、定常计算,获得不同颗粒浓度、不同颗粒粒径条件下泵内液相和颗粒的流动规律。并以截面形式显示计算结果,获得速度、压力、颗粒浓度分布、湍流黏度、湍动能及湍流强度等信息。对模型泵输送清水和固液两相流时的性能也进行了预测,主要结论有:
1、在叶轮流道内,固相体积浓度分布极不均匀,细颗粒泥沙运动轨迹偏离叶轮工作面,主要集中在叶轮吸力面及出口。
2、在所研究的工况条件下,与清水工况相比,加入某些浓度、粒径的细颗粒泥沙,离心泵内的湍流粘度,湍动能都有所下降,并且分布规律与颗粒的分布相似,离心泵的扬程与效率有所提高。
3、相同体积流量下,离心泵的扬程和效率在所研究的工况条件下随颗粒浓度和粒径的增加先增大后减小。
4、在所研究的工况条件下,颗粒浓度对离心泵的影响大于颗粒直径的影响。
5、在所研究的工况条件下,离心泵的扬程与效率在细颗粒泥沙浓度为1%时,达到最大值。