导叶式离心泵内固液两相过渡过程的数值研究

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离心泵实际应用中,随着阀门开度的变化,其流量瞬时增加或减小,其外特性和内部流动都体现出显著的瞬态特性。采用稳态评估方法去预测泵的瞬态特性会有较大误差,因此了解其瞬态内流状态进而预测其瞬态条件下的特性、了解流量突增过程的流体动力学特性很有必要。目前对固液两相流条件下离心泵变工况过渡过程的流动特性研究较少,对离心泵内固液两相过渡过程进行研究具有一定的意义。  本文以径向导叶式离心泵为研究对象,对全流道进行结构化网格划分,采用标准 k-ε湍流模型和Mixture多相流模型,通过5种方案的定常数值计算,得到了不同固相浓度对应的模型泵的内部流动特性、外特性以及泵内的水力损失。  结果分析表明:导叶式离心泵的扬程、效率随着本文采用固相浓度的增大而升高,在固相浓度 Cv为0.05到0.2之间,扬程和效率的变化范围较小;固相浓度的增加使得流道内压力及固相体积分数整体增大;叶轮内的水力损失与固相浓度成正比例关系,蜗壳内的水力损失与固相浓度成反比例关系;随着固相浓度增大,叶轮的径向力逐渐增大。  通过用户自定义函数(User Defined Function,UDF)实现泵进口流量的自动更新,采用分离涡湍流模型(Detached Eddy Simulation,DES),通过改变固相浓度设计出5种计算方案,对其在转速恒定、流量线性瞬时增加的过渡过程进行了非定常数值计算,得到了清水和固液两相流过渡过程的外特性、内部流动特性、各部件水力损失以及监测点的压力脉动。  结果分析表明:在过渡过程中,泵的扬程、效率、功率和进出口压力呈现瞬态的曲线波动变化,随时间逐渐增加,最后趋于周期波动;不同介质的过渡过程中泵的外特性有一定的区别。泵内的流动状态和流道内的固相体积分数随时间的变化发生了一定的变化;流道内出现了流动分离,产生了明显的漩涡,漩涡的大小和数量随时间变化;随着固相浓度的变化,泵内流动状态发生相应的变化,固相颗粒的加入加快了涡的演化速度,不同浓度对应的流道内产生的漩涡数量和位置不同。各过流部件的水力损失随时间逐渐变化,固相浓度对叶轮和导叶内的水力损失影响较大,对蜗壳内的水力损失无明显的影响规律。
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