颗粒对不同流量下动静叶栅内固液两相非定常流动的影响

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泵在国民生产的很多领域都起着广泛的作用,无论是航空航天、核电站、核潜艇,还是城市供水、石油、化工、农业排灌等领域都离不开各种类型的泵。泵类流体机械的研究之中,有关于泵类流体机械的稳定性以及节能降耗的研究是重中之中。  水力机械内部动叶栅与静叶栅之间的相对运动引起的动静干涉是引起水力机械内振动、噪音以及效率偏低的主要原因,在偏离设计工况时这种情况更为明显。同时,在各类水力机械的运行过程中,介质不可避免的会有固相颗粒的混入,而固体颗粒的加入又会使得动静叶栅内流动更加复杂、水力机械本身运行不稳定性大大增强。因此,探究在不同工况下固体颗粒对于水力机械动静叶栅内部流动的影响,可以为提高流体机械运行的稳定性以及高效性研究提供一定参考。  本文采用大涡模拟与Mixture多相流模型混合的计算方法,以设计工况为23.9m3/h的带有径向导叶的离心泵为计算模型,对0.2Q、0.6Q、1.0Q以及1.4Q五种不同工况时的流场进行分析。旨在分析加入颗粒后,水力机械动静叶栅内部在不同流量下非定常流动的情况。  本文的主要创新性点:  (1)本文结合了现阶段内水力机械研究的两大热点问题——动静干涉效应下的水力机械内部非定常流动问题与水力机械内部的固液两相流动问题。结合固液两相流动以及动静干涉作用,对水力机械内部流动进行分析研究。  (2)本文选用了涡量作为描述流动内部小涡流动的参考量。以涡量图作为参考来描述水力机械内部流动过程。  主要结论:  (1)不论是在清水还是固液两相情况下,模型泵的扬程随着流量的增大而减小,效率随着流量的增大而增大,当流量达到某一值时,效率达到峰值,之后效率随着流量的增大而减小。在流量较小的情况下,固液两相时的扬程大于清水时的,而当流量超过0.6Q之后,清水时的扬程则高于固液两相时的。同时,固液两相情况下的效率总是低于清水时的。  (2)与清水介质时相比,加入颗粒之后,泵内部压力分布趋势基本相同,但速度分布更为紊乱。流道中涡的分布情况与清水时基本相同,但是固液两相时流道内涡的大小与能量都比清水时高,尤其是在设计工况与大流量工况,同时,在颗粒的影响下,整个涡中心区域的流动结构更加复杂,这一区域内涡的强度也更大。  (3)在不同流量、不同位置处,颗粒的存在对压力脉动的影响不同。在动静叶栅交界面处,小流量工况时,颗粒的存在增强了此处的高频压力脉动,而大流量工况时,颗粒的存在削弱了此处的高频压力脉动。同时1.4Q时颗粒存在对压力脉动幅值影响最小,0.2Q时最大;在导叶流道内,小流量工况时,颗粒的存在削弱了的高频压力脉动,而大流量工况时,颗粒的存在增强了此处的高频压力脉动。同时1.4Q时颗粒存在对压力脉动幅值的影响最小,0.6Q时最大;在蜗壳流道内,颗粒的存在已经不影响这一区域的压力脉动。同时1.0Q时颗粒存在都对压力脉动幅值的影响最小,0.2Q时最大;在蜗舌位置处,小流量工况下颗粒更容易产生堆积,使得颗粒的存在增强了蜗舌处的高频压力脉动。同时1.0Q时颗粒存在都对压力脉动幅值的影响最小,0.2Q时最大。而且与蜗壳内其他位置处的压力脉动幅值相比,蜗舌处的压力脉动幅值远大于蜗壳其他位置处。  (4)不论是在清水还是固液两相情况下,动静干涉都是引起流道内拟序涡的演化过程的改变的主要原因,而且颗粒的存在加剧了这一过程。随着流量的增加,流道内的涡的分布趋势基本保持不变,但是随着流量的增加,这些涡的能量和体积都有所减弱。  (5)在小流量工况下,颗粒的存在加强了流道内涡的分布范围与强度,但在额定流量与大流量工况下,颗粒的存在反而减少了流道内涡的分布范围与情况。  (6)颗粒的存在不仅增加了流道中涡的跟随性,还加剧了叶片背面靠近出口处的二次流。
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