固液两相流的研究现状及进展

1、固液两相流的研究现状及进展摘要：本文主要写了固液两相流泵在国内的研究现状以及分别从内特性、外特性两方面对国内固液两相流泵的研究进展进行分析。文中还给出了对固液两相流动中的最佳流动模式进行了探讨及固液两相流泵常用研究方法的分析。关键词：固液两相流泵 数学模型 流动模式 牛顿流体1固液两相流泵在国内的研究背景我国对液固两相流泵的研究则始于20世纪70年代末80年代初,直到80年代中期以后按两相流理论设计的泵才逐步得到应用。经过几十年的努力,我国两相流泵技术也得到了长足的发展, 国内许多学者应用两相流理论对固液泵进行了水力设计和试验研究, 积累了许多很有价值的经验和数据, 为我国对液固两相流泵的研究

2、开辟了广阔的道路。2. 国内固液两相流泵的研究现状固液两相流泵的基本概念通常分为两类杂质泵，包括泥浆泵、砂泵、挖泥泵等，主要用于冶金、矿山开采、电力、煤炭、水泥等行业抽送尾矿、精矿、灰渣、煤泥、水泥等，也可用于江、河、湖、海的挖泥和疏浚。离心式泵约占杂质泵总量的70% 左右，这类泵主要应考虑磨损问题。市场调查发现: 上海主流泵生产企业生产的离心式的固液两相流泵主要是渣浆泵。无堵塞泵，包括旋流泵、单流道泵、多流道泵、螺旋离心泵和开式或半开式离心泵等，主要用于抽送污水、纸浆、纤维等，这类泵主要考虑的是堵塞问题。由于固液两相流动的复杂性和特殊性，所以固液两相流泵在性能、噪声、寿命等方面存在着较大的缺

3、陷。为了克服上述缺点，国内外学者先后通过理论分析，实验研究和数值模拟等方法深入研究固液两相流泵的流动机理，优化泵的设计来提高其效率和寿命，降低噪音。3.固液两相流泵的研究理论3.1 外特性研究20 世纪30 60 年代，国外学者研究固液相的性质与外特性关系得出的主要结论是: 泵的扬程随着浓度的增加而下降; 泵的功率随着浓度的增大而增大; 泵的效率随着浓度的增加而下降;泵的最高效率点向着小流量区偏移。固液混合物的性质( 浓度、比重、粒径 对离心泵性能方面的影响。固液混合物按固相比例分为高浓度和低浓度。由于实际应用和实验大多数是在低浓度下，固体颗粒的质量分数上限为35% ，而对应的体积分数基本在1

4、5% 范围内，相当多的文献记载用CFD 方法分析过固相体积浓度为15% 范围内的渣浆泵的流场。3.2 内特性研究固液两相流的内特性研究主要通过以下几个部分来进行：代表性的是B K 苏波隆运用高速摄影技术研究固体颗粒在叶轮内部运动规律时得出的成果: 叶道内固体颗粒运动轨迹的特点是: 小颗粒( 1 2mm 大致沿着叶片的工作面运动，大颗粒( 8 10mm 由于离心力作用，运动背离工作面; 叶轮直径等于310mm，大颗粒出口角为30° 50°，而小颗粒出口角为10°左右; 小颗粒分布均匀，大颗粒集中在泵壳内壁。固液两相流泵因其工作介质的缘故，磨损是其面临的主要问题之一。

5、它的产生原因可分为三个部分:固体颗粒的冲击造成的损伤、汽蚀损伤、损伤和腐蚀共同作用造成的损伤。工业应用表明: 叶轮是固液两相流泵内磨损最严重的零件，而叶轮出口处又是叶轮中磨损最严重位置之一，叶片工作面与后盖板相交棱角处有很深的条形沟纹，这种条形沟在叶片工作面的不同部位深度和宽度不同，一般在叶轮出口附近最深 甚至有可能使叶片或后盖板洞穿。叶片非工作面上有凹凸不平的麻坑，但相对工作面磨痕较浅 叶片入口附近有带形的凹坑，个别凹坑很深甚至使后盖板洞穿而导致叶轮失效。叶轮前后盖板的内表面有颗粒滑痕，除靠近叶片工作面位置外，磨损较轻; 外表面光滑、有均匀磨损痕迹。离心泵的磨损与颗粒的运动轨迹，速度及分布以

6、及泵内流场有很大的关系。泵运行过程中产生的Von Mises 力，随着颗粒的直径、速度、入侵角的增大而增大，而与颗粒的锥顶角负相关。通过反复试验得出: 采用小叶片出口角2、少叶片数Z 和大出口宽度b2的叶轮能减轻泵的磨损。叶轮出口的流体沿径向高速流出，夹带的固体颗粒直接冲刷蜗壳圆周外壁，形成高浓度区固相的滑动床，因此比蜗壳侧壁的磨损要严重得多。数值模拟和试验研究还显示，在对称轴面按螺旋角增大方向的固相分布规律是: 冲击磨损最为严重的是隔舌位置; 磨擦，磨损逐渐加剧。4 两相流泵数学模型建立4.1 单流体模型这种模型把离散固体颗粒和流体看作混合流体来处理, 流体与固体之间的流动参数与混合物平均运

7、动参数之间用一个附带扩散速度本构关系的所谓扩散方程联系起来, 所以不需用颗粒动量和能量方程, 只要有固体颗粒的连续方程或扩散方程即可。这种模型直观、简单。但由于其没有考虑两相之间的相互作用和相互影响,不能反映泵内部两相流的运动规律。4.2 双流体模型。双流体模型认为固体颗粒和流体相之间存在速度差, 存在相互作用和影响, 并认为颗粒具有与流体类似的湍流特性。此模型的处理方法一般是分别建立流体相和固体颗粒相的基本方程,并通过颗粒与流体之间的相互作用来使两相联系。4.3 固相颗粒随机轨道模型随机轨道模型把固体颗粒当成离散相,以拉格朗日法进行处理, 而流体相用欧拉型的连续介质模型来描述。考虑流体对颗粒

8、的作用,计算颗粒轨迹及其沿程变化, 归结于用Monet-carlo方法求解颗粒的瞬态动量方程。许洪元等用此模型计算了固液两相流泵叶轮中固体颗粒的运动轨迹, 并与实验结果相比较,能够较好地吻合。4.4 固液两相湍流的KET模型和动力学模型对于固体颗粒浓度比较大的情况,由于固体颗粒之间碰撞加剧, 用前面介绍的几种模型,会造成比较大的误差。由此,魏进家等建立了描述密相的液固两相湍流的KET模型。由颗粒相动力学理论,把密相流动的颗粒运动分为3部分(平均运动、颗粒群的脉动和单颗粒的随机脉动,同时再加上颗粒湍动能的耗散作用。徐义华等用此模型模拟离心叶轮内的含颗粒幂律流体的两相流动。唐学林等运用分子动力学法

9、,基于固体颗粒的Boltzmann方程,得到高浓度液固两相流湍流的连续方程和动量方程,并考虑颗粒的相互作用,由动力学方法推导出高浓度时的颗粒间碰撞项, 由此建立高浓度液固两相湍流的动力学模型。4.5 大涡模拟大涡模拟(LES是通过滤波函数,在大尺度内直接求解N-S方程对小尺度涡采用亚格子模型(SGS模拟。吴玉林等在双流体模型的基础上,用大涡模拟思想,通过滤波函数,分别对流体相和颗粒相建立了连续方程和动量方程, 计算了液固两相流泵固液两相湍流流动, 并与实验结果进行了比较。5 固液两相流泵常用研究方法的分析常用的研究方法主要有理论分析、试验分析、数值模拟。在20 世纪80 年代之前，研究叶轮机械

10、的主要方法是理论分析和实验研究后来随着电子计算机的发展，数值模拟占据着研究叶轮机械越来越重要的地位。5.1 理论研究在流体力学发展的前期，研究者用理论分析方法来建立叶轮内部流动规律的统一的数学描述。但由于方程的复杂性，计算能力的有限性，理论研究一直没得到突破。5.2 实验研究试验研究流体机械主要是流体参数的测量和流动的显示。流体参数的测量主要方法是探针和热线热膜技术缺点是探针等介入会扰动真实流场，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4 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

11、普勒测速仪( Laser Doppler Velocimetry 简LDV 。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( P ，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( LIF 技术、激光分子测速( LMV 技术和压敏涂层测压( PSP 技术等。其中LDA 和PIV 是目前应用最多的测速技术。利用这些方法，在流体机械的研究方面取得了最大的成绩。5.3 数值模拟近年来越来越多的研究人员都热衷于CFD，因为它可方便、快捷、可视化等。通过这种“数值试验”，可以充分认识流动规律

12、，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。6 固液两相流动中最佳流动模式6.1 固液两相流动中的两种流体在固液两相流动中存在着两种流体即牛顿流体与宾汉渣浆流体。试验证明在含某种固体颗粒的两相流动中, 当固体的重量浓度较低时, 液体呈现出牛顿流体的特性当重量浓度较高时, 流体却呈现出宾汉渣浆流体的流动特性, 这种随着固体重量浓度不同呈现出不同流动特性的现象, 不仅在管道内的两相流动中存在, 而且在泵内两相流动中亦存在。6.2 宾汉渣浆流体中的最佳流动模式对含某种固体颗粒的两相流体而言, 当固体的浓度增高至某一浓度时, 流体的性质就发生了变化, 从

13、牛顿流体转变成为宾汉渣浆流体。在宾汉渣浆流体中存在着一种柱状流动现象, 所谓柱状流动是在管壁处存在着一浓度很低, 粘性显著下降的薄层, 在薄层内的流体可看作层流运动的牛顿流体, 在薄层外的管道中部为主流区, 该主流区的两相流动如同固体一样作整体运动。因此柱状流动实际上是靠近管壁薄层内的层流与管道中部的柱状流的叠加。由于柱状流动中层流薄层内的水成为柱体与管壁之间的润滑剂, 因此管道中柱状流动的摩擦损失要比清水时的小，当速度变化很快时，管壁附近的速度梯度使处于悬浮状态下的固体获得一种旋转运动。由于这种自旋运动的结果, 作用在固体颗粒上的侧向力就使之离开管壁而趋向流动中臼这就是物理上的“ 马格努斯效

14、应” , 它在理论上是有充分根据的。使用管道在柱状流动的范围内输送固液两相流体, 其经济效益为采用最低流速而不会沉淀, 因而管道阻力损失为最小输送混合物的浓度最高而不会有堵塞管道的危险管道中流速给定时, 柱状流的摩擦损失比层流或紊流时的都要小因此柱状流动是管道中最经济实用的流动模式。不仅在管道中柱状流动是两相流输送的最经济实用的流动模式, 而且在两相流泵中柱状流动也是输送固液两相流的最佳流动模式。6.3 牛顿流体中的最佳流动模式在固液两相流动中, 当固体的重量浓度较高时, 两相流体呈现出宾汉渣浆流体的特性。在宾汉渣浆流体中存在着一种最佳流动模式 一一柱状流动, 在柱状流动状态下, 两相流动的摩

15、擦阻力损失要比清水的小在两相流动中, 当固体的重量浓度较低时, 两相流体呈现出牛顿流体的特性。在工程流动问题中, 有许多流体是处于紊流状态下的牛顿流体, 在这种流动中是否也存在着一种摩擦阻力损失比清水的还小的流动模式 国外学者通过试验发现在紊流状态下的水流中加人固体添加剂可减小内流中的粘性损失, 甚至加人适量的添加剂后其流动损失低于清水时的流动损失。这一实验结果为探讨降低紊流摩擦阻力损失指出了研究方向, 因此进一步研究添加剂降阻现象的力学机理将有助于探讨输送牛顿流体的最佳流动模式。添加剂引起降阻现象是早在二次世界大战中将凝固的汽油注人火焰喷射器时观察到的。6 我国固液两相流泵的研究方向目前国内

16、外对通用的固液两相流泵的研究主要有以下几个方面。（1 深入研究泵内部的流动规律，固相颗粒的分布特性，以及在该分部规律下泵的磨损特性。（2 目前，固液两相流泵的设计还停留在二维阶段，对于普及三维设计理论还需要深入研究。（3 探索国内的固液两相流泵通用的性能优化方案，达到提高效率，降低磨损，提高寿命的目的。（4 寻找新的实验方案和测量手段、数值模拟的算法和网格技术，以提高实验和模拟的可靠性、准确性。8 结论本文分别从内特性、外特性两方面对国内固液两相流泵的研究进展进行分析, 理论上我们应该更加注重掌握基础知识,对泵内两相流的流场分布进行更加精确的研究。在实践上也通过研究一些模拟结果, 对一些实际问

17、题进行有效的处理。以及不论是在管道内的两相流输送中还是在泵内两相流的输送中, 当输送重量浓度较高时, 两相流体呈现出宾汉流体的流动特性当输送的重量浓度较低时呈现出牛顿流体的流动特性。在宾汉流体中存在着一种柱状流动现象, 柱状流动时流动摩擦损失要比清水时的小, 因此柱状流动是输送宾汉流体的一种最佳流动模式。柱状流动的流动模式已被人们所接受, 并且在工程实际应用中获得令人满意的效果。对于输送低浓度的牛顿流体的研究, 尽管人们早已观察到添加剂降阻现象, 在工程实际中也确实存在着其流动摩擦损失小于输送清水的实例。参考文献：1 陈次昌两相流泵的理论与设计M北京:兵器工业出版社，19942梁冰，朱玉才固液

18、两相流泵的边界层理论及其应用M北京:科学出版社，20033Mohamad Memardezfouli，Ahmad Nourbakhsh:Experimental inves-tigation of slip factors in centrifugal pumpsJExperimental thermaland fluid science，2009(33:9389454关醒凡现代泵技术手册M北京:宇航出版社，19955 NRSakthivel，VSugumaran，BinoyBNair:Comparison of decision treefuzzy and rough setfuzzy me

19、thods for fault categori-zation of monoblock centrifugal pumpJMechanical systems and signal processing，2010(24:188719066 Dong Xing，Zhang Hailu，Wang Xinyong:Finite element analysis of wear for centrifugal slurry pumpCProcedia earth and planetary science，2009(1:153215387王秀勇离心泵流动特征的数值分析D杭州:浙江大学，20078 M

20、ario avar，Hrvoje Kozmar，Igor SutlovicImproving centrifugal pump efficiency by impeller trimmingJDesalination，2009 (249:6546599杨华基于整机紊流模拟的离心泵叶型优化方法与实验研究 D上海:上海交通大学，200610赵斌娟双流道泵内非定常三维湍流数值模拟及PIV测试 D南京:江苏大学，200711Goto A，Zangeneh MHydrodynamic design system for pumps based on 3D CAD，CFD and inverse desi

21、gn methodJASME journal of fluids engineering，2002(124:32933512吴婷离心泵叶轮三维CAD系统的研究与开发D北京:北京工业大学，200413Raúl Barrio，Jorge Parrondo，Eduardo BlancoNumerical analysis of the unsteady flow in the neartongue region in a volutetype centrifugal pump for different operating pointsJ，ComputersFluids，2010(39:85987014RSpence，JAmaralTeixeira，A CFD parametric study of geometrical variations on the pressure pulsations and performance characteristics of a centrifugal pumpJComputersFluids，2009(38:12