液力透平作为一种高压余能回收装置,广泛的应用在石油化工、合成氨等工业领域,在部分工业流程中,透平进口工质会含有气体,导致透平外特性下降,影响机组运行稳定性。为揭示液力透平在两相工况下的气液流动特性和能量转化机理,预测其外特性及内流场变化规律。本文采用Eulerian-Eulerian Particle模型和SSTk-ω湍流模型对一水轮机式液力透平模型展开研究。首先研究了气体模型、两相模型以及气泡直径对透平性能及流场预测的影响;然后采用非均相模型,考虑气体的可压缩性,基于PBM(Population Balance Model)模型对透平多工况下气液流动特性进行了研究,分析了不同流量、不同进口含气率对透平内部两相流动特性的影响,揭示了转速对高含气率工况透平外特性和内流场的影响规律。研究结果表明:(1)相对于可压缩模型,不可压缩气体模型压力梯度下降较大,对应的转轮内水力损失也较大;在同一含气率工况下,不可压缩气体模型透平的效率、输出功率低于可压缩气体模型。在20%含气率工况,不可压缩气体模型效率比可压缩气体模型低12%,输出功率低36kW。(2)均相流模型流道内气相工质、转轮出口速度分布均匀;非均相流模型下,气液在蜗壳内已经发生气液分离,导致气相工质在转轮流道内分布不均,转轮内水力损失大于均相流,对应的水力效率、输出功率小于均相流模型。在20%含气率下,非均相流模型比均相流模型的效率低5.6%,输出功率低14kW。(3)气泡模型影响流道内气相工质以及转轮内速度流线分布。单一气泡直径模型下,随气泡直径的增大,流道内气相工质分布不均加重、转轮内流态变差、转轮出口速度增大,转轮内水力损失增加,导致透平的输出功率、水力效率下降。在20%含气率工况,单一气泡直径模型中气泡直径0.5mm 比气泡直径0.1mm的透平的效率低5.1%,输出功率低14.2kW。PBM模型的外特性介于单一气泡直径0.3mm和0.5mm之间,比气泡直径为0.1mm的透平效率低4.8%,输出功率低12kW。(4)入口含气率影响转轮入口气相工质、液流角的分布。同一流量工况,随着含气率的增加,气相工质、液流角变化曲线上波峰幅值增大、数量增多,对应流道内漩涡流态变差,转轮出口速度增大,转轮内水力损失增大,透平输出功率、效率减小。当含气率为30%,小流量工况效率相较于纯水工况下降了 34.7%。(5)转速影响气液两相工况液力透平的运行情况。转速的升高增大了透平的总压头,提高了效率。不同流量工况提高幅度不同,在设计流量下,转速为1660r/min工况透平的效率相较于设计转速工况(1485r/min)提高了 1.9%;中流量工况水力效率提高了 1.3%,小流量工况水力效率提高了 1.1%。