浙江工业大学
攻读硕士学位研究生课程
文献综述
专业动力工程及工程热物理
课程名称动力工程及工程热物理进展
任课教师包士毅等
姓名赵李盼
2016年1 月10日多相流技术在泵研究发展中得应用分析
概述
两相流动主要分为气液与固液得混合运动。两相流广泛应用于能源、化工、冶金,核能、冶金等领域。早在年,两相流就被用来减少波浪对建筑物得破坏作用。此后,在工程中也得到越来越广泛得应用,如在河口用气泡幕防止盐水入侵控制水库与湖泊中得分层结构以及改善水质加速反应装置中得物质混合、热量交换、以及化学反应过程在城市河流污染治理中,用纯氧曝气复氧来治理污染河流、消除黑臭。在电力行业中得应用主要体现在火力发电厂得水力除灰系统中,与火力发电厂湿式石灰石洗涤法脱硫系统中。气液两相流动很大程度上取决于气泡运动形态以及分散相与连续相之间得相互作用。然而,在气液两相流动中,气液两相得流速就是不同得。在流动时,气液两相得流动结构又就是多样得,而且,带有随机性。有关固液两相流得问题很早就己经提出。早在年就己经较系统地研究过明渠水流中泥沙得沉降与
输运。于年研究过声波在泡沫液体中传播时强度得衰减。但就是许多经验与研究成果分散在各个不同领域,交流不多。直至上世纪四十年代,刁`开始有意识地总结归纳所遇到得各种现象,用两相流得统一观点系统地加以分析与研究。五十年代以后相关得论文数量显著增加,内容包括两相流边界层,空化理论,流态化技术,喷管流动等。六十年代以后,越来越多得学者开始探索描述两相流运动规律得基本方程。两相流作为一门独立得学科形成,并有了迅猛阶段,但迄今为止还没有非常成熟得体系,尚处于发展初期,很多方面都要依赖于经验数据,而且数据得分散性很大。
一.数值模拟技术简介
1、按固液两相得耦合程度不同分类
(1) 两相平衡流模型,又称为均匀流模型,它假设两相得速度彼此相等,两相有着相同得运动参数,互不影响,因而这种模型比较简单,被广泛应用于各种产品设计得理论性计算中。
(2) 一方耦合模型,此模型假设流体不受颗粒存在得影响,但颗粒在流体得带动下被牵引运动,适用于颗粒浓度非常低得两相流动。(3) 两相不平衡流模型,又称分离流模型,其中得两相得速度彼此不相等,两相间存在滑移速度。混合物中得各相因物化特性不同,其运动规律不可能完全一致。该模型综合考虑了两相之间得速度差异,更接近多相流得实际情况,因此较前两种模型更为精确,但同时也更为复杂。
2、按刻划得尺度与属性得不同分类
(1) 连续介质模型
连续介质模型就是将颗粒相瞧成就是拟流体,颗粒相与流体相皆采用欧拉坐标描述,这就是目前在两相流动研究领域中使用最为广泛得一种方法。如果其中得颗粒相仅视为一相来处理得话,常常又被称为双流体模型(TwoFluid Model)。该模型还可以细分以下几种:无滑移模型假定所有颗粒得温度、物质密度都相等,并且它们得平均速度与当地
得流体相速度也相等,不考虑流体与颗粒得相对滑移与两相间得阻力,颗粒扩散相当于流体组分得扩散。该模型把颗粒相处理得非常简单,易于计算,它但就是没有考虑相间得速度滑移违背了客观规律,现在已基本不再应用了。小滑移模型假定颗粒在流体得夹带下运动,同相得速度、温度、物质密度与颗粒直径均相同,颗粒在流场中有扩散漂移,即小滑移。此模型就是建立完整得两相流模型得开端,它考虑了颗粒得滑移与两相间因滑移而引起得相间拽力,但还就是没有全面地描述
颗粒得运动,与实验观察结果相差较大。滑移扩散模型该模型既考虑了相间得平均速度滑移,又考虑了颗粒群得湍流扩散,就是目前较为完善得多相流动模型。由于引入了颗粒群得运动参数,所以控制方程得求解计算量增大,对含多种不同规格得颗粒群来说不易实现。此外,目前对初始边界条件及扩散系数得确定都就是经验数据,有关得参数修正系数研究还不就是很充分,有待进一步探讨。
(2) 颗粒群轨迹模型
离散颗粒群模型就就是把颗粒作为离散介质来考虑,更符合实际流动,因此对该模型得研究较为深入。该模型可分为:单颗粒动力学模型假设颗粒对流场没有影响,颗粒得运动互不相关,相间存在较
大得速度滑移。该模型就是最早得两相流模型,它可应用解析法分析颗粒得运动轨迹以及速度得变化。它得前提条件也就限定了它只适用颗粒浓度小,滑移量相当大得流场。颗粒轨迹模型假设离散颗粒各自沿自己得轨道运动,相间存在大滑移,但不考虑颗粒群得湍流扩散。该模型已经广泛用于两相流得研究,它能够模拟复杂过程得颗粒相
运动规律,却没能全面地考虑颗粒得质量、动量与能量得湍流扩散过程,在复杂流场中,连续得颗粒速度与浓度得空间分布也很难给出,因此,要想与实测得欧拉坐标颗粒特征对照就非常困难。颗粒湍流扩散得拉格朗日模型该模型就是对颗粒轨迹模型得修正,它充分考虑了颗粒得湍流扩散效应。其修正方法有人为地加入漂移速度、漂移力得概念与用随机得方法来处理颗粒得运动两种,其中采用第二种方法较多。流体拟颗粒模型该模型从刻划单颗粒尺度上得运动行为入手,不仅将宏观离散得颗粒当成离散相处理,还将宏观连续得流体也采用拟“颗粒”性质得流体微团来处理,从而可以模拟远离平衡态得系统。这类模型对流体、颗粒得运动都就是采用拉格朗日坐标来描述。
3、FLUENT 多相流模型分类
1、气液或液液流动
气泡流动:连续流体中存在离散得气泡或液泡
液滴流动:连续相为气相,其它相为液滴
栓塞(泡状)流动:在连续流体中存在尺寸较大得气泡
分层自由流动:由明显得分界面隔开得非混合流体流动。
2、气固两相流动
粒子负载流动:连续气体流动中有离散得固体粒子
气力输运:流动模式依赖,如固体载荷、雷诺数与例子属性等。最典型得模式有沙子得流动,泥浆流,填充床以及各相同性流流化床:有一个盛有粒子得竖直圆筒构成,气体从一个分散器进入筒内,从床底不断冲入得气体使得颗粒得以悬浮。
3、液固两相流动
泥浆流:流体中得大量颗粒流动。颗粒得 stokes 数通常小于 1。大于 1 就是成为流化了得液固流动。
水力运输:在连续流体中密布着固体颗粒
沉降运动:在有一定高度得盛有液体得容器内,初始时刻均匀散布着颗粒物质,随后,流体会出现分层。
4、三相流
以上各种情况得组合多相流动系统得实例
气泡流:抽吸、通风、空气泵、气穴、蒸发、浮选、洗刷。
液滴流:抽吸、喷雾、燃烧室、低温泵、干燥机、蒸发、气冷、洗刷。栓塞流:管道或容器中有大尺度气泡得流动
分层流:分离器中得晃动、核反应装置沸腾与冷凝
粒子负载流:旋风分离器、空气分类器、洗尘器、环境尘埃流动
气力输运:水泥、谷粒与金属粉末得输运
流化床:流化床反应器、循环流化床
泥浆流:泥浆输运、矿物处理
水力输运:矿物处理、生物医学、物理化学中得流体系统
沉降流动:矿物处理。
4、多相流模型得选择原则
1、基本原则
(1)对于体积分数小于 10%得气泡、液滴与粒子负载流动,采用离散相模型。
(2)对于离散相混合物或者单独得离散相体积率超出10%得气泡、液滴与粒子负载流动,采用混合模型或欧拉模型。
(3)对于栓塞流、泡状流,采用 VOF 模型
(4)对于分层/ 自由面流动,采用VOF 模型
(5)对于气动输运,均匀流动采用混合模型,粒子流采用欧拉模型。
(6)对于流化床,采用欧拉模型
(7)泥浆与水力输运,采用混合模型或欧拉模型。
(8)沉降采用欧拉模型
(9)对于更一般得,同时包含多种多相流模式得情况,应根据最合适得流动特性,选择合适得流动模型。此时由于模型只就是对部分流动特征采用了较好得模拟,其精度必然低于只包含单个模式得流动。
2、混合模型与欧拉模型得选择原则
VOF 模型适合于分层得或自由表面流,而混合模型与欧拉模型适合于流动中有相混合或分离,或者分散相得体积分数超过 10%得情况
(小于 10%可使用离散相模型)。
1)如果分散相有宽广得分布(如颗粒得尺寸分布很宽),最好采用混合模型,反之使用欧拉模型。
2)如果相间曳力规律一直,欧拉模型通常比混合模型更精确;若相间曳力规律不明确,最好选用混合模型。
3)如果希望减小计算量,最好选用混合模型,它比欧拉模型少解一部分方程如果要求精度而不在意计算量,欧拉模型可能就是更好得选择、但就是要注意,复杂得欧拉模型比混合模型得稳定性差,可能会遇到收敛困难。
4、选用 FLUENT 多相流模型得几个要点
多相流得计算,首先就是要对要研究得问题要有一个比较详细得了解。您对模拟过程了解多少,可能得结果就是什么。可以想象一下您模拟得过程,您想要得到得结果侧重点在哪里,等等。然后根据问题选择不同得多相流模型。由于不同得模型适合不同得模型,因此首先要对 FLUENT 各个多相模型有一明确得概念。您如何简化问题另外,网格得划分很重要。尽量采用简单得网格。网格得疏密程度,那些地方要
细,那些地方可以疏些,等等。好得前处理对获得快速收敛得解非常非常重要！
5、关于 FLUENT 不同多相流模型得选择与比较
1) 对 DPM 模型,采用得就是 LagraianEulerian 方法。粒子得运动就是按 Lagrarian 方法,连续流体得计算就是按 Eulerian 方法。
DPM 可以跟踪单独粒子得运动轨迹。该方法不考虑粒子对连续流体运动得影响,所以只适用于粒子体积占总体积不大于 10%得情况。
2) VOF 模型。该模型能够比较好得反映多相流之间得界面情况。比如大得气泡以比较慢得速度在液体中流动,气液界面等。由于VOF 模型采用得方程中得各项物性参数,如密度,粘度等,就是各相物性得体积平均值,所以要求各相得速度之间差别不能太大,否则会对计算结果得精度影响很大。一般情况 VOF 采用非稳态模拟比较好。主相得体积值不就是从体积守恒方程得到得,而就是 1 减去其她离散相得值。
3)Mixture 模型。此模型考虑了离散相与连续相得速度差,及相互之间得作用。但相与相之间就是不相容得。动量方程及连续方程等中各物性参数采用得就是各相体积平均值。主相得体积值不就是从体积守恒方程得到得,而就是 1 减去其她离散相得值。
4)Eulerian 模型。此模型可以对各相进行单独得计算,每相都有单独得守恒方程。据有很大得适应性。但代价就是由于要对各相都要进行独自计算迭代,计算机时就是很巨大得。故 Mixture 就是 Eulerian 模型得一种折衷。两相流得物理模型就是建立两相湍流流动方程得基础。
二.泵得简介
两个或两个以上不同得相位或组分在一起混合流中得流动现象称为多相流,多相流动得过程中往往伴随着各种能量交换,介质交换,化学反应或物理与化学过程。这些过程有很多存在于自然界乃至各行
各业(冶金,石化,电力,能源等)得生产过程中,如在化学工业中得各种酸性液体、碱性液体混输并发生化学物理反应,传输液体介质时包含固体颗粒以及粘稠得介质等生产过程都需要用到多相流体混输泵。因此,多相流体混输泵在社会发展得各行各业都有广泛得应用前景,也在现代社会得国民经济发展中扮演了非常重要得角色。现代社会工业高度发展,越来越多得生产过程都需要输送多相流体介质,所以多相流体介质得混输技术就是当今社会输送技术得发展趋势。多相流体混输泵就是多相混输系统中得重要设备,尤其在化工,石油,建筑等工业领域得作用更为显著。由于混输得流体就是含固、液、气及各种杂质得多相流体介质,在混输得过程中气相与固相含量经常超出常规泵或压缩机得工作范围,因此多相混输泵必须具有泵与压缩机两种性能,就是一种特殊得增压设备。
上世纪年代以来,国外得高校,各大科研机构与设备公司多方联合,投入了大量得财力与物力进行多相流体混输技术研究。截至目前,国外公司已经研发出了许多不同类型得多相流体混输泵。为了适应多相流体流动得得复杂性,每种多相粟都有其工作条件与范围。许多国家得工业生产中已经应用了这些多相粟,并取得了良好得效果。而国内相关得研究较为缓慢,与国外得先进水平差距较大。目前,在胜利、河南中原、辽河、吐哈、江苏、大港、塔河、大庆等油田已经应用多相混输泵技术,并且大多数泵得运行良好。螺杆泵就是这些油田使用得多相混输泵得主要类型,约占,并且均就是国外得技术。可以瞧出,在多相流体混输技术方面,国内相比国外起步较晚,研究与应用均存
在着一定得差距。因此,导叶式螺旋离心内固液两相流动得数值计算与分析加快发展中国得多相流体混输系统包括各种化工工业、石油工业等特色多相混输系统对缩短与国外先进水平得差距有着极其重要得意义。多相混输泉分类多相混输泵按工作原理得不同可分为两类:旋转动力式多相混输泵与容积式多相混输泵两种类型。旋转动力式多相混输泵可分为螺旋离心泵、轴流泵以及多级离心录等,容积式多相混输录又分为活塞粟、单螺杆录、双螺杆泵等轴流粟:
轴流泵属于低扬程泵,在农田灌溉、城市给水排水、调水工程、化工行业循环水工程等方面有着广泛得应用。近年来,在核电、喷水推进等方面也得到了应用。虽然轴流粟在现代输运系统中应用广泛,但就是由于大多数轴流粟都就是按照清水泵方法来设计制造,所以输送固液两相流体介质得轴流泵都会出现不同程度得磨损,而且其磨损进而会造成效率降低,使得原本较低得扬程更低。而在许多工业生产得过程中,对于多相混输泵得扬程与效率都有较高得需求,造成其不能完全得适用于某些工业生产过程。
螺杆泵一般在工程应用中分为单螺杆泵与双螺杆粟,由于单螺杆粟有很多缺点,如较小得容积,长期暴露并接触得转子定子,很容易造成定子磨损,橡胶定子需定期更换,故其在多相流混输得工业领域很少应用。而双螺杆泵具有轴承为外置式,不与流体介质接触,良好得润滑条件,并且可强制运输多相流体介质得特点,因此,无论含气率如何变化,都可以强制性得将多相流体介质从入口经过压缩腔压缩再推到排出腔排出,在运行过程中,双螺杆泵与单螺杆粟相比磨损较小,得到
了广泛得使用。但它也存在许多缺点,例如输送流量较小,对泥沙敏感,一旦螺杆磨损之后,它得维修量很大,造成双螺杆粟得寿命低,运行成本高等。
活塞泵就是多相混输粟中最简单直接得,混合流体介质得压力得升高就是通过活塞进行压缩,再经过调节阀控制流体介质得流入与排出。这种泵适合用于低转速、高含气率、高压力得场合。在年月在加拿大得国际油田得使用就是活塞泵第一次应于海下油田。年威德福油田服务有限公司生产了一种柱塞式活塞泵,这种录年幵始在美国得墨西哥湾进行安装使用。
螺旋离心泵于世纪年代在秘鲁研究成功,当初研究该粟得目得就是为了输送活鱼,后来发现该粟在固液两相流方面得输送性能较好,所以在现代化工业得多相混输方面,螺旋离心泵也用来排水与输送高粘度液体。为了防止固体物质堵塞,螺旋离心泵采用带有扭曲得螺旋叶片,使过流介质顺利得流出幵闭式叶轮中,叶片得半径逐渐增大,形成螺旋形流道。一般螺旋离心泵得壳体由吸入盖与锅壳两部分组成。吸入盖部分得叶轮,像螺杆泵一样,产生螺旋推进作用,蜗壳段得叶轮像一般得离心粟产生离心作用。叶轮进口得前端尽可能得前伸,将
多相流体介质导向叶轮内,再利用螺旋推进作用使之沿流道前进。这种泵像容积泵与离心泵得组合,故称为螺旋离心泵。螺旋离心泵在现代工业各个领域都有较广泛得应用,尤其在多相混输方面有不错得表现。由于其有容积粟与离心泵两方面得作用,螺旋离心泵与一般离心泵相比具有以下优点:良好得抗堵塞能力。在螺旋离心泵中,从泵得进
口到出口得过流流道中,流体介质流过得过流截面得面积均比较大,过流截面无剧变。这样得过流截面可以保证其内部通过粒径较大得固体颗粒而不会出现堵塞。对过流介质无损性能好。在导叶式螺旋离心泵得过流流道中,均衡得螺旋力把混输介质包括固液两相介质以及固液气三相介质逐步螺旋得向前推进,使得介质在泵内流动状况无突然变化,故介质具有平稳得流动状态,这一特性也让螺旋离心泵对输送介质得破坏性小于其它型式得杂质粟与旋流泵,也使得它可以用来输送各种多相流体介质。具有良好得调节性能。它得扬程一流量曲线近似于一条直线,扬程得较大变化可以通过流量得较小变化来实现,这一特点能保证粟稳定运行,污水处理用粟经常会碰到这种情况。泵得吸入性能好。可输送高浓度、高粘度与含气介质,而它在中等程度雷诺数区附近也可达到一般普通泵得效率水平。具有良好得抗汽烛性能。螺旋离心泵得叶片进口边在设计过程中尽可能靠前地向吸入口延伸,可使叶片较早得对流体介质做功,这样得设计使得螺旋离心粟吸入口到叶片进口边得压降减小,降低了泵得必需汽烛余量,进而提高了泵得汽蚀性能。导叶式螺旋离心粟内固液两相流动得数值计算与分析可抽送含气体得液体。当吸入微量气体时,泵得性能、振动、噪声不会发生变化,当气体含量达到时,虽然会反复产生连续剧烈振动,但泵仍能运行。具有良好得抗磨烛性能,过流部件寿命长。由于导叶式螺旋离心泵内过流介质得流速较低,流速大小与方向得变化比较缓慢,使得漩祸回流等在相当程度上得到抑制,削弱了汽烛与磨损这两个容易引起叶轮与粟体破坏得主要因素。所以导叶式螺旋离心泵过流部件
以及泵整体得寿命比其它叶片泵提高几倍。在大流量区理想得噪声特性。但就是当粟从最高效率点流量到关死点附近区域运行时,会产生很大得噪声与振动。
鉴于螺旋离心泵得上述优点,其在工业生产中也已经不局限为输污水,化工介质等方面,而且在输送高粘度液体、含有较大颗粒直径得得化工介质以及纤维状织物得两相流体等多方面也有着广泛得应用。但就是由于一般螺旋离心泵得压水室为螺旋形压水室,不能让流体介质有轴向得进出口,在受使用条件限制,例如在用做潜水泵或深井泵等流体介质需要较小得轴向尺寸以及轴向流动场合时无法满足需要,使其在许多工业生产中得使用受到限制。
刘栋等、杨敏官等、袁寿其等、李斌等对特殊用途离心泵内部三维固液两相湍流数值模拟分析,获得了内部流动规律;潘中永等分别对搅拌罐内得浆体两相流进行了研究。在气液两相流方面得研究主要有 Hazra采用雷诺时均方程与混合长度模型模拟连续相、拉格朗日方法模拟分散相,对泵内得稀疏两相流进行了研究。Jose采用基于离心泵叶轮内气泡受力分析得数值模拟技术,对离泵抽送气水混合物进行计算,并与试验结果对比,给出两相流条件下得扬程损失,也得出了气泡尺寸与气泡体积分数之间得影响关系;Francois等在专用试验台架上对不同设计轴流式离心泵模型进行测试,为高效分离与抽送轴流式离心泵得关键设计与运行参数提供了依据,发展了轴流式离心泵得理论模型,并应用于气油两相流得抽送;黄思探讨了气液两相介质在螺旋轴流式叶片泵内得流动规律。谢鹏等通过对气液混输泵得试验研
究,分析了含气量与气液混合总流量两个关键因素变化对汽蚀性能得影响;李昳等对漩涡泵内部气液两相流场进行了数值模拟,初步揭示了该泵内气液两相流动特征;余志毅等提出了一种气液两相流得压力修正算法,具有较宽得进口含气率适用范围;范丽丹等对
液力耦合器内汽液两相流进行了数值模拟,并对其进行了 PIV 试验测试;向清江等采用流体体积函数两相流数学模型,对射流元件稳定附壁情况下二维及三维流场进行数值模拟;李玉龙等建立了基于油液离心作用得下容积效率、困油区间内含气比与进油侧修正含气比得计算公式;何勇灵引入基于气泡溶解与析出得物理过程得气泡模型,对柴油机喷油系统分别进行仿真,试验数据进行了对比。
三.总结
随着计算机技术得进一步发展,随着人们对于多相流动理论得进一步研究,数值模拟技术已经大大减少了以往产品设计得时间,精力,提高了工作效率。对于生活中得各种问题,都可以采取数值模拟得方法加以分析,为人类得发展做出重大贡献。