動力工程及工程熱物理進展

1、浙江工業(yè)大學攻讀碩士學位研究生課程文獻綜述專業(yè)動力工程及工程熱物理課程名稱動力工程及工程熱物理進展任課教師包士毅等姓名趙李盼2016年1月10日多相流技術(shù)在泵研究發(fā)展中的應用分析概述兩相流動主要分為氣液和固液的混合運動。兩相流廣泛應用于能源、化工、冶金，核能、冶金等領域。早在年，兩相流就被用來減少波浪對建筑物的破壞作用。此后，在工程中也得到越來越廣泛的應用，如在河口用氣泡幕防止鹽水入侵控制水庫和湖泊中的分層結(jié)構(gòu)以及改善水質(zhì)加速反應裝置中的物質(zhì)混合、熱量交換、以及化學反應過程在城市河流污染治理中，用純氧曝氣復氧來治理污染河流、消除黑臭。在電力行業(yè)中的應用主要體現(xiàn)在火力發(fā)電廠的水力除灰系統(tǒng)中，和火

2、力發(fā)電廠濕式石灰石洗滌法脫硫系統(tǒng)中。氣液兩相流動很大程度上取決于氣泡運動形態(tài)以及分散相和連續(xù)相之間的相互作用。然而，在氣液兩相流動中，氣液兩相的流速是不同的。在流動時,氣液兩相的流動結(jié)構(gòu)又是多樣的，而且，帶有隨機性。有關固液兩相流的問題很早就己經(jīng)提出。早在年就己經(jīng)較系統(tǒng)地研究過明渠水流中泥沙的沉降和輸運。于年研究過聲波在泡沫液體中傳播時強度的衰減。但是許多經(jīng)驗和研究成果分散在各個不同領域，交流不多。直至上世紀四十年代，刁、開始有意識地總結(jié)歸納所遇到的各種現(xiàn)象，用兩相流的統(tǒng)一觀點系統(tǒng)地加以分析和研究。五十年代以后相關的論文數(shù)量顯著增加，內(nèi)容包括兩相流邊界層，空化理論，流態(tài)化技術(shù)，噴管流動等。六十

3、年代以后，越來越多的學者開始探索描述兩相流運動規(guī)律的基本方程。兩相流作為一門獨立的學科形成，并有了迅猛階段，但迄今為止還沒有非常成熟的體系，尚處于發(fā)展初期，很多方面都要依賴于經(jīng)驗數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)的分散性很大。一.數(shù)值模擬技術(shù)簡介1.按固液兩相的耦合程度不同分類(1)兩相平衡流模型，又稱為均勻流模型，它假設兩相的速度彼此相等，兩相有著相同的運動參數(shù)，互不影響，因而這種模型比較簡單，被廣泛應用于各種產(chǎn)品設計的理論性計算中。(2) 一方耦合模型，此模型假設流體不受顆粒存在的影響，但顆粒在流體的帶動下被牽引運動，適用于顆粒濃度非常低的兩相流動。(3)兩相不平衡流模型，又稱分離流模型，其中的兩相的速度彼此

4、不相等，兩相間存在滑移速度?；旌衔镏械母飨嘁蛭锘匦圆煌溥\動規(guī)律不可能完全一致。該模型綜合考慮了兩相之間的速度差異，更接近多相流的實際情況，因此較前兩種模型更為精確，但同時也更為復雜。2,按刻劃的尺度和屬性的不同分類(1)連續(xù)介質(zhì)模型連續(xù)介質(zhì)模型是將顆粒相看成是擬流體，顆粒相和流體相皆采用歐拉坐標描述，這是目前在兩相流動研究領域中使用最為廣泛的一種方法。如果其中的顆粒相僅視為一相來處理的話，常常又被稱為雙流體模型(Two-FluidModel)。該模型還可以細分以下幾種：無滑移模型假定所有顆粒的溫度、物質(zhì)密度都相等，并且它們的平均速度和當?shù)氐牧黧w相速度也相等，不考慮流體與顆粒的相對滑移和兩

5、相間的阻力，顆粒擴散相當于流體組分的擴散。該模型把顆粒相處理得非常簡單,易于計算，它但是沒有考慮相間的速度滑移違背了客觀規(guī)律，現(xiàn)在已基本不再應用了。小滑移模型假定顆粒在流體的夾帶下運動，同相的速度、溫度、物質(zhì)密度和顆粒直徑均相同，顆粒在流場中有擴散漂移，即小滑移。此模型是建立完整的兩相流模型的開端，它考慮了顆粒的滑移和兩相間因滑移而引起的相間拽力，但還是沒有全面地描述顆粒的運動，與實驗觀察結(jié)果相差較大?；?擴散模型該模型既考慮了相間的平均速度滑移，又考慮了顆粒群的湍流擴散，是目前較為完善的多相流動模型。由于引入了顆粒群的運動參數(shù)，所以控制方程的求解計算量增大，對含多種不同規(guī)格的顆粒群來說不易

6、實現(xiàn)。此外，目前對初始邊界條件及擴散系數(shù)的確定都是經(jīng)驗數(shù)據(jù)，有關的參數(shù)修正系數(shù)研究還不是很充分，有待進一步探討。(2)顆粒群軌跡模型離散顆粒群模型就是把顆粒作為離散介質(zhì)來考慮，更符合實際流動，因此對該模型的研究較為深入。該模型可分為：單顆粒動力學模型-假設顆粒對流場沒有影響，顆粒的運動互不相關，相間存在較大的速度滑移。該模型是最早的兩相流模型，它可應用解析法分析顆粒的運動軌跡以及速度的變化。它的前提條件也就限定了它只適用顆粒濃度小，滑移量相當大的流場。顆粒軌跡模型假設離散顆粒各自沿自己的軌道運動，相間存在大滑移，但不考慮顆粒群的湍流擴散。該模型已經(jīng)廣泛用于兩相流的研究，它能夠模擬復雜過程的顆粒

7、相運動規(guī)律，卻沒能全面地考慮顆粒的質(zhì)量、動量和能量的湍流擴散過程，在復雜流場中，連續(xù)的顆粒速度和濃度的空間分布也很難給出，因此，要想和實測的歐拉坐標顆粒特征對照就非常困難。顆粒湍流擴散的拉格朗日模型該模型是對顆粒軌跡模型的修正，它充分考慮了顆粒的湍流擴散效應。其修正方法有人為地加入漂移速度、漂移力的概念和用隨機的方法來處理顆粒的運動兩種，其中采用第二種方法較多。流體擬顆粒模型該模型從刻劃單顆粒尺度上的運動行為入手，不僅將宏觀離散的顆粒當成離散相處理，還將宏觀連續(xù)的流體也采用擬“顆粒”性質(zhì)的流體微團來處理，從而可以模擬遠離平衡態(tài)的系統(tǒng)。這類模型對流體、顆粒的運動都是采用拉格朗日坐標來描述。3 .

8、FLUENT多相流模型分類1、氣液或液液流動氣泡流動：連續(xù)流體中存在離散的氣泡或液泡液滴流動：連續(xù)相為氣相，其它相為液滴栓塞（泡狀）流動：在連續(xù)流體中存在尺寸較大的氣泡分層自由流動：由明顯的分界面隔開的非混合流體流動。2、氣固兩相流動粒子負載流動：連續(xù)氣體流動中有離散的固體粒子氣力輸運：流動模式依賴，如固體載荷、雷諾數(shù)和例子屬性等。最典型的模式有沙子的流動，泥漿流，填充床以及各相同性流流化床：有一個盛有粒子的豎直圓筒構(gòu)成，氣體從一個分散器進入筒內(nèi)，從床底不斷沖入的氣體使得顆粒得以懸浮。3、液固兩相流動泥漿流：流體中的大量顆粒流動。顆粒的stokes數(shù)通常小于1大于1是成為流化了的液固流動。水力

9、運輸：在連續(xù)流體中密布著固體顆粒沉降運動：在有一定高度的盛有液體的容器內(nèi)，初始時刻均勻散布著顆粒物質(zhì)，隨后，流體會出現(xiàn)分層。4、三相流以上各種情況的組合多相流動系統(tǒng)的實例氣泡流：抽吸、通風、空氣泵、氣穴、蒸發(fā)、浮選、洗刷。液滴流：抽吸、噴霧、燃燒室、低溫泵、干燥機、蒸發(fā)、氣冷、洗刷。栓塞流：管道或容器中有大尺度氣泡的流動分層流：分離器中的晃動、核反應裝置沸騰和冷凝粒子負載流：旋風分離器、空氣分類器、洗塵器、環(huán)境塵埃流動氣力輸運：水泥、谷粒和金屬粉末的輸運流化床：流化床反應器、循環(huán)流化床泥漿流：泥漿輸運、礦物處理水力輸運：礦物處理、生物醫(yī)學、物理化學中的流體系統(tǒng)沉降流動：礦物處理。4 .多相流模

10、型的選擇原則1、基本原則(1)對于體積分數(shù)小于10%的氣泡、液滴和粒子負載流動，采用離散相模型。(2)對于離散相混合物或者單獨的離散相體積率超出10%勺氣泡、液滴和粒子負載流動，采用混合模型或歐拉模型。(3)對于栓塞流、泡狀流，采用VOF模型(4)對于分層/自由面流動，采用VOF模型(5)對于氣動輸運，均勻流動采用混合模型，粒子流采用歐拉模型。(6)對于流化床，采用歐拉模型(7)泥漿和水力輸運，采用混合模型或歐拉模型。(8)沉降采用歐拉模型(9)對于更一般的，同時包含多種多相流模式的情況，應根據(jù)最合適的流動特性，選擇合適的流動模型。此時由于模型只是對部分流動特征采用了較好的模擬，其精度必然低于

11、只包含單個模式的流動。2、混合模型和歐拉模型的選擇原則VOF模型適合于分層的或自由表面流，而混合模型和歐拉模型適合于流動中有相混合或分離，或者分散相的體積分數(shù)超過10%的情況(小于10%可使用離散相模型)。1)如果分散相有寬廣的分布(如顆粒的尺寸分布很寬)，最好采用混合模型，反之使用歐拉模型。2)如果相間曳力規(guī)律一直，歐拉模型通常比混合模型更精確；若相間曳力規(guī)律不明確，最好選用混合模型。3)如果希望減小計算量，最好選用混合模型，它比歐拉模型少解一部分方程如果要求精度而不在意計算量，歐拉模型可能是更好的選擇.但是要注意，復雜的歐拉模型比混合模型的穩(wěn)定性差，可能會遇到收斂困難。4 .選用FLUEN

12、T多相流模型的幾個要點多相流的計算，首先是要對要研究的問題要有一個比較詳細的了解。你對模擬過程了解多少，可能的結(jié)果是什么?？梢韵胂笠幌履隳M的過程，你想要得到的結(jié)果側(cè)重點在哪里，等等。然后根據(jù)問題選擇不同的多相流模型。由于不同的模型適合不同的模型，因此首先要對FLUENT各個多相模型有一明確的概念。你如何簡化問題另外，網(wǎng)格的劃分很重要。盡量采用簡單的網(wǎng)格。網(wǎng)格的疏密程度，那些地方要細，那些地方可以疏些，等等。好的前處理對獲得快速收斂的解非常非常重要！5 .關于FLUENT不同多相流模型的選擇和比較1)對DPM模型，采用的是Lagraian-Eulerian方法。粒子的運動是按Lagrarian

13、方法，連續(xù)流體的計算是按Eulerian方法。DPM可以跟蹤單獨粒子的運動軌跡。該方法不考慮粒子對連續(xù)流體運動的影響，所以只適用于粒子體積占總體積不大于10%的情況。2)VOF模型。該模型能夠比較好的反映多相流之間的界面情況。比如大的氣泡以比較慢的速度在液體中流動，氣液界面等。由于VOF模型采用的方程中的各項物性參數(shù)，如密度，粘度等，是各相物性的體積平均值，所以要求各相的速度之間差別不能太大，否則會對計算結(jié)果的精度影響很大。一般情況VOF采用非穩(wěn)態(tài)模擬比較好。主相的體積值不是從體積守恒方程得到的，而是1減去其他離散相的值。3)Mixture模型。此模型考慮了離散相和連續(xù)相的速度差，及相互之間的

14、作用。但相與相之間是不相容的。動量方程及連續(xù)方程等中各物性參數(shù)采用的是各相體積平均值。主相的體積值不是從體積守恒方程得到的，而是1減去其他離散相的值。4）Eulerian模型。此模型可以對各相進行單獨的計算，每相都有單獨的守恒方程。據(jù)有很大的適應性。但代價是由于要對各相都要進行獨自計算迭代，計算機時是很巨大的。故Mixture是Eulerian模型的一種折衷。兩相流的物理模型是建立兩相湍流流動方程的基礎。二.泵的簡介兩個或兩個以上不同的相位或組分在一起混合流中的流動現(xiàn)象稱為多相流，多相流動的過程中往往伴隨著各種能量交換，介質(zhì)交換，化學反應或物理和化學過程。這些過程有很多存在于自然界乃至各行各業(yè)

15、（冶金，石化，電力，能源等）的生產(chǎn)過程中，如在化學工業(yè)中的各種酸性液體、堿性液體混輸并發(fā)生化學物理反應，傳輸液體介質(zhì)時包含固體顆粒以及粘稠的介質(zhì)等生產(chǎn)過程都需要用到多相流體混輸泵。因此，多相流體混輸泵在社會發(fā)展的各行各業(yè)都有廣泛的應用前景，也在現(xiàn)代社會的國民經(jīng)濟發(fā)展中扮演了非常重要的角色?，F(xiàn)代社會工業(yè)高度發(fā)展，越來越多的生產(chǎn)過程都需要輸送多相流體介質(zhì)，所以多相流體介質(zhì)的混輸技術(shù)是當今社會輸送技術(shù)的發(fā)展趨勢。多相流體混輸泵是多相混輸系統(tǒng)中的重要設備，尤其在化工，石油，建筑等工業(yè)領域的作用更為顯著。由于混輸?shù)牧黧w是含固、液、氣及各種雜質(zhì)的多相流體介質(zhì)，在混輸?shù)倪^程中氣相和固相含量經(jīng)常超出常規(guī)泵或壓

16、縮機的工作范圍，因此多相混輸泵必須具有泵和壓縮機兩種性能，是一種特殊的增壓設備。上世紀年代以來，國外的高校，各大科研機構(gòu)和設備公司多方聯(lián)合，投入了大量的財力和物力進行多相流體混輸技術(shù)研究。截至目前，國外公司已經(jīng)研發(fā)出了許多不同類型的多相流體混輸泵。為了適應多相流體流動的的復雜性，每種多相粟都有其工作條件與范圍。許多國家的工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)應用了這些多相粟，并取得了良好的效果。而國內(nèi)相關的研究較為緩慢，與國外的先進水平差距較大。目前，在勝利、河南中原、遼河、吐哈、江蘇、大港、塔河、大慶等油田已經(jīng)應用多相混輸泵技術(shù)，并且大多數(shù)泵的運行良好。螺桿泵是這些油田使用的多相混輸泵的主要類型，約占，并且均是國外

17、的技術(shù)?？梢钥闯觯诙嘞嗔黧w混輸技術(shù)方面，國內(nèi)相比國外起步較晚，研究和應用均存在著一定的差距。因此，導葉式螺旋離心內(nèi)固液兩相流動的數(shù)值計算與分析加快發(fā)展中國的多相流體混輸系統(tǒng)包括各種化工工業(yè)、石油工業(yè)等特色多相混輸系統(tǒng)對縮短與國外先進水平的差距有著極其重要的意義。多相混輸泉分類多相混輸泵按工作原理的不同可分為兩類：旋轉(zhuǎn)動力式多相混輸泵和容積式多相混輸泵兩種類型。旋轉(zhuǎn)動力式多相混輸泵可分為螺旋離心泵、軸流泵以及多級離心錄等，容積式多相混輸錄又分為活塞粟、單螺桿錄、雙螺桿泵等軸流粟：軸流泵屬于低揚程泵，在農(nóng)田灌溉、城市給水排水、調(diào)水工程、化工行業(yè)循環(huán)水工程等方面有著廣泛的應用。近年來，在核電、噴水

18、推進等方面也得到了應用。雖然軸流粟在現(xiàn)代輸運系統(tǒng)中應用廣泛，但是由于大多數(shù)軸流粟都是按照清水泵方法來設計制造，所以輸送固液兩相流體介質(zhì)的軸流泵都會出現(xiàn)不同程度的磨損，而且其磨損進而會造成效率降低，使得原本較低的揚程更低。而在許多工業(yè)生產(chǎn)的過程中，對于多相混輸泵的揚程和效率都有較高的需求，造成其不能完全的適用于某些工業(yè)生產(chǎn)過程。螺桿泵一般在工程應用中分為單螺桿泵與雙螺桿粟，由于單螺桿粟有很多缺點，如較小的容積，長期暴露并接觸的轉(zhuǎn)子定子，很容易造成定子磨損，橡膠定子需定期更換，故其在多相流混輸?shù)墓I(yè)領域很少應用。而雙螺桿泵具有軸承為外置式，不與流體介質(zhì)接觸，良好的潤滑條件，并且可強制運輸多相流體介

19、質(zhì)的特點，因此，無論含氣率如何變化，都可以強制性的將多相流體介質(zhì)從入口經(jīng)過壓縮腔壓縮再推到排出腔排出，在運行過程中，雙螺桿泵與單螺桿粟相比磨損較小，得到了廣泛的使用。但它也存在許多缺點，例如輸送流量較小，對泥沙敏感，一旦螺桿磨損之后，它的維修量很大，造成雙螺桿粟的壽命低，運行成本高等?；钊檬嵌嘞嗷燧斔谥凶詈唵沃苯拥模旌狭黧w介質(zhì)的壓力的升高是通過活塞進行壓縮，再經(jīng)過調(diào)節(jié)閥控制流體介質(zhì)的流入和排出。這種泵適合用于低轉(zhuǎn)速、高含氣率、高壓力的場合。在年月在加拿大的國際油田的使用是活塞泵第一次應于海下油田。年威德福油田服務有限公司生產(chǎn)了一種柱塞式活塞泵，這種錄年開始在美國的墨西哥灣進行安裝使用。螺旋

20、離心泵于世紀年代在秘魯研究成功，當初研究該粟的目的是為了輸送活魚，后來發(fā)現(xiàn)該粟在固液兩相流方面的輸送性能較好，所以在現(xiàn)代化工業(yè)的多相混輸方面，螺旋離心泵也用來排水和輸送高粘度液體。為了防止固體物質(zhì)堵塞，螺旋離心泵采用帶有扭曲的螺旋葉片，使過流介質(zhì)順利的流出開閉式葉輪中，葉片的半徑逐漸增大，形成螺旋形流道。一般螺旋離心泵的殼體由吸入蓋和鍋殼兩部分組成。吸入蓋部分的葉輪，像螺桿泵一樣，產(chǎn)生螺旋推進作用，蝸殼段的葉輪像一般的離心粟產(chǎn)生離心作用。葉輪進口的前端盡可能的前伸，將多相流體介質(zhì)導向葉輪內(nèi)，再利用螺旋推進作用使之沿流道前進。這種泵像容積泵與離心泵的組合，故稱為螺旋離心泵。螺旋離心泵在現(xiàn)代工業(yè)各

21、個領域都有較廣泛的應用，尤其在多相混輸方面有不錯的表現(xiàn)。由于其有容積粟與離心泵兩方面的作用，螺旋離心泵與一般離心泵相比具有以下優(yōu)點：良好的抗堵塞能力。在螺旋離心泵中，從泵的進口到出口的過流流道中，流體介質(zhì)流過的過流截面的面積均比較大，過流截面無劇變。這樣的過流截面可以保證其內(nèi)部通過粒徑較大的固體顆粒而不會出現(xiàn)堵塞。對過流介質(zhì)無損性能好。在導葉式螺旋離心泵的過流流道中，均衡的螺旋力把混輸介質(zhì)包括固液兩相介質(zhì)以及固液氣三相介質(zhì)逐步螺旋的向前推進，使得介質(zhì)在泵內(nèi)流動狀況無突然變化，故介質(zhì)具有平穩(wěn)的流動狀態(tài)，這一特性也讓螺旋離心泵對輸送介質(zhì)的破壞性小于其它型式的雜質(zhì)粟和旋流泵，也使得它可以用來輸送各種

22、多相流體介質(zhì)。具有良好的調(diào)節(jié)性能。它的揚程一流量曲線近似于一條直線，揚程的較大變化可以通過流量的較小變化來實現(xiàn)，這一特點能保證粟穩(wěn)定運行，污水處理用粟經(jīng)常會碰到這種情況。泵的吸入性能好?？奢斔透邼舛取⒏哒扯群秃瑲饨橘|(zhì)，而它在中等程度雷諾數(shù)區(qū)附近也可達到一般普通泵的效率水平。具有良好的抗汽燭性能。螺旋離心泵的葉片進口邊在設計過程中盡可能靠前地向吸入口延伸，可使葉片較早的對流體介質(zhì)做功，這樣的設計使得螺旋離心粟吸入口到葉片進口邊的壓降減小，降低了泵的必需汽燭余量，進而提高了泵的汽蝕性能。導葉式螺旋離心粟內(nèi)固液兩相流動的數(shù)值計算與分析可抽送含氣體的液體。當吸入微量氣體時，泵的性能、振動、噪聲不會發(fā)生

23、變化，當氣體含量達到時，雖然會反復產(chǎn)生連續(xù)劇烈振動，但泵仍能運行。具有良好的抗磨燭性能，過流部件壽命長。由于導葉式螺旋離心泵內(nèi)過流介質(zhì)的流速較低，流速大小與方向的變化比較緩慢，使得漩禍回流等在相當程度上得到抑制，削弱了汽燭和磨損這兩個容易引起葉輪和粟體破壞的主要因素。所以導葉式螺旋離心泵過流部件以及泵整體的壽命比其它葉片泵提高幾倍。在大流量區(qū)理想的噪聲特性。但是當粟從最高效率點流量到關死點附近區(qū)域運行時，會產(chǎn)生很大的噪聲和振動。鑒于螺旋離心泵的上述優(yōu)點，其在工業(yè)生產(chǎn)中也已經(jīng)不局限為輸污水，化工介質(zhì)等方面，而且在輸送高粘度液體、含有較大顆粒直徑的的化工介質(zhì)以及纖維狀織物的兩相流體等多方面也有著廣泛的應用。但是由于一般螺旋離心泵的壓水室為螺旋形壓水室，不能讓流體介質(zhì)有軸向的進出口，在受使用條件限制，例如在用做潛水泵或深井泵等流體介質(zhì)需要較小的軸向尺寸以及軸向流動場合時無法滿足需要，使其在許多工業(yè)生