绞吸式开采系统提升泵固液两相流的数值分析
水煤浆离心泵内固液两相流场的数值模拟研究的开题报告
水煤浆离心泵内固液两相流场的数值模拟研究的开题报告一、选题的背景和意义水煤浆是一种含有一定浓度煤粉的水溶液，在燃烧过程中可以代替部分固体燃料，从而降低环保和成本压力。
水煤浆离心泵作为水煤浆输送系统的核心部件，在输送过程中扮演着至关重要的角色。
然而，由于水煤浆离心泵中存在固体颗粒，这些颗粒的存在对泵的性能造成了影响，影响包括流量、压力、泵头等方面，使得泵的使用寿命缩短，降低其传输效率以及其可靠性，制约了水煤浆输送技术进一步发展。
因此，开展水煤浆离心泵内固液两相流场的数值模拟研究，对于提高水煤浆水平传输的效率和可靠性，具有重要意义。
二、研究现状和进展目前针对水煤浆离心泵内固液两相流场的研究主要集中在两个方面：1、数值模拟方法的发展。
数值模拟方法包括基于欧拉数学模型的CFD方法和基于拉格朗日数学模型的DEM方法。
其中CFD方法主要研究流体相的运动规律，难以处理颗粒相的运动规律；DEM方法主要研究颗粒相的运动规律，但忽略了流体相的影响。
因此，目前常常采用耦合CFD-DEM方法对水煤浆离心泵内固液两相流场进行模拟。
2、模拟结果的验证与优化。
模拟结果的验证主要通过实验方法进行，主要包括高速摄影技术、激光多普勒测速技术以及压力测量技术等。
通过对模拟结果和实验结果进行对比分析，对水煤浆离心泵的结构参数和工作参数进行优化，提高其传输效率和可靠性。
三、研究内容与方法本文拟采用耦合CFD-DEM方法，数值模拟水煤浆离心泵内固液两相流场。
主要研究内容包括：1、水煤浆离心泵内部流动场的分析与优化。
分析水煤浆离心泵内部流动规律，通过调整叶轮和泵壳的结构参数以及水煤浆输送的工作参数，优化泵的结构和工作条件，提高其传输效率和可靠性。
2、颗粒相的运动规律和沉积规律的研究。
研究颗粒相的运动规律，探究颗粒相在离心泵内的沉积规律以及对流体相的影响。
3、实验与模拟结果的对比分析。
通过高速摄影技术、激光多普勒测速技术以及压力测量技术等，对模拟结果进行验证，并与实验结果进行对比分析，验证模拟方法的可靠性和优化效果。
多级矿用泵的固液两相流数值计算
多级矿用泵的固液两相流数值计算工作面尾缘处的流动分离有明显的抑制作用，一定程度上可以提高扬程。
两相流数值计算中，叶轮和导叶中的静压、相对速度、流线等物理量呈中心对称分布，与单相数值计算相比，粒子的存在没有从根本上改变物理量的分布规律。
一、引言矿用潜水电泵是将泵和电机连成一体，共同潜入水中工作的机组。
矿用潜水泵实际抽送的是固液混合的两相流介质[1-2]，而传统矿用潜水泵的水力设计大多是建立在单相流理论上的经验设计。
由于实际应用中输送的介质为固液混合的二相流体，造成了单相流理论设计的矿用潜水泵存在运行效率低、寿命短等问题。
由于固液两相流泵抽送介质的千差万别，两相流流动的问题十分复杂。
奥布雷恩在1937年通过大量的实验研究，提出了砂水混合物在叶轮内运动的物理模型。
张维聚、马振宗、陈涟等分别通过理论分析和实验究探讨了固体颗粒的浓度、比重、粒径分布及粘性对清水泵性能的影响。
梁跃等[3]通过二相流理论进行矿用潜水泵的设计，一定程度解决了粒子对二相流湍流结构的影响问题。
在这些研究的基础上，本文采用ANSYS CFX软件，对多级矿用潜水泵在设计点工况下进行数值计算，探索不同的泵进口固体相浓度、不同固体相颗粒大小对泵性能的影响，分析其两相流场的分布规律。
二、几何模型本文选取BQS20-30×06-55型矿用泵作为研究对象。
对该泵进行三维建模，并对其在设计点工况下进行数值计算，探索不同的泵进口固体相浓度、不同固体相颗粒大小对泵性能的影响并与试验结果进行对比，分析其两相流场的分布规律及其对泵外特性能的影响。
三、数值计算方法3.1控制方程本文在模拟固液两相流动过程中认为液相是连续流体相，固相作为离散固体相，采用Particle离散模型，即欧拉——欧拉多流体模型来描述固液两相流之间的相互作用。
控制方程对液相的湍流模型采用Standard k-ε双方程模型，固相采用零方程模型，在计算域进口基本相为水，第二相为离散固体。
固液两相流泵的研究热点和进展
② 无堵 塞泵 ， 包括 旋 流 泵 、 流 道 泵 、 流道 泵 、 旋 单 多 螺 离 心泵 和 开 式 或 半 开 式 离 心 泵 等 ， 要 用 于 抽 送 污 主 水、 纸浆 、 维等 ， 纤 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 ， 以固液 所 两 相流 泵在 性能 、 声 、 噪 寿命 等 方 面存 在 着较 大 的缺
颗粒 的增 大 ， 粒相 对 运 动 的包 角 越 大 ， 颗 同时 在 运 动
中会越向叶片里面靠近， 与工作面发生碰撞 的概率会
增加 。 上述两 个实 验结论 在某 些 地方是 相互 矛盾 的 ， 如
Ｂ Ｋ 苏波 隆得 出 的 固 体 颗粒 粒径 越 大 ， 相对 运 动 ．． 其 轨迹 越偏 离 叶 片 的压 力 面 ， 赵 敬 亭 的 结 论 正 好 桂Ｉ 而
（ｈ ｎ ｈ ｉ ｎｖ￣ｔ ｏ ｓｉ ｃ ｎ ｃｎｌ ｙ Ｓ ｎｈ ｉ ２ ０９ ， ｈ ａ Ｓａ ｇ ａ ｕ ｉ ｉ ｃ ｎｅａ ｄｔ ｈ ｏ ｇ ， ｈ ｇ ０ ０ ３ Ｃ ｉ ） ｅ ｙｆ ｅ ｅ ｏ ａ ａ ｎ
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固液两相流离心泵内部流场的数值模拟研究的开题报告
固液两相流离心泵内部流场的数值模拟研究的开题报告
一、课题背景
液固两相流离心泵是一种广泛应用于化工、轻工、环保等领域的设备，其主要功能是将高纯度、低浓度的悬浮固体物料输送至目标容器中。
离心泵作为一种传动压力更大，精度更高的设备，广泛应用于化工生产过程的悬浮液、乳化液、填料液、废水等的管道式输送。
而开展基于数值模拟技术的固液两相流动研究，对于提高离心泵的性能和对机理的深入认识具有重要的意义。
二、研究目的
本次研究旨在通过对离心泵内部流场进行数值模拟，分析悬浮物料在叶轮内的运动规律，探究流场特性对离心泵性能的影响因素及其内在机理，在提高悬浮物料输送效率和泵的稳定性等方面进行探究。
三、研究内容
1.建立固液两相流离心泵的数学模型，探究泵的叶轮、前后盖板、泵壳等部位的紊流特性以及固相颗粒在泵内水动力场中的运动轨迹和浓度分布规律；
2.采用计算流体力学（CFD）方法对离心泵内部流场进行数值模拟，分析和对比不同工况下流场的变化规律，揭示流场特性对泵的性能的影响因素及机理；
3.结合实验数据，对模拟结果进行验证，评估离心泵的性能，提出提高泵性能的方案和措施。
四、研究意义
1.深入了解离心泵内部流场特性和固相颗粒在流场中的运动规律，从理论上认识固液两相流动和输送机制，为优化设备的基础研发提供理论依据；
2.科学分析和评估离心泵性能的变化规律，为工程实际应用提供参考，优化设计和工艺参数；
3.扩展离心泵的应用领域，为提高化工、环保等领域固液分离和传输效率提供帮助。
固液两相流泵性能参数影响实验
固液两相流泵性能参数影响实验潘越;于明明【摘要】在工业生产领域中，固液两相流泵是运用普遍的流体机械。
泵的性能参数影响泵的效率与使用寿命，基于此，研究固液两相流的介质特性和泵结构参数对泵性能参数的影响，对测试系统中的硬件、软件系统、试验管路、关键仪器仪表的选择进行了设计搭建。
利用由LabVIEW与PLC组成的固液两相流泵性能参数的测试系统，完成固液两相流泵性能参数影响因素的判定。
%In the field of industrial production, solid liquid two phase flow pump is the most commonly used fluid machinery. Pump performance parameters affect the efficiency and service life of the pump. Based on the influence of dielectric properties of solid liquid two phase flow and pump structure parameters on pump performance parameters,the thesis designs the test system of hardware and software, test line, the key instrument of choice. Using the test system of solid liquid two phase flow pump performance parameters composed of LabVIEW and PLC,that complete determination to solid-liquid two-phase pump performance parameters influencing factors.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2014(000)011【总页数】4页(P45-47,85)【关键词】固液两相流泵;测试实验系统;LabVIEW;监控系统;泵性能参数【作者】潘越;于明明【作者单位】河北工程大学机电工程学院，河北邯郸 056038;河北工程大学机电工程学院，河北邯郸 056038【正文语种】中文【中图分类】TH137.51固液两相流泵是普遍用于工业生产部门的流体机械，在水利、煤炭、矿山、化工、电力、建材、土建、冶金等行业都发挥着重要作用。
泵在气液两相工况下性能分析
泵在气液两相工况下性能分析电站的安全问题是一个不容忽视的问题，尤其在事故工况下，电站的运行状况成为电站安全方面研究的重点。
当管路发生泄漏故障但泵依然正常运转时，管路内流体内的气体比例会随时间的延长逐渐增多，泵的性能会随着气体比例增大而逐渐下降，从上一个层级来看，管路内的流体会因为管路泄漏而逐渐减少，冷却水量逐步降低，但不是骤然下降，此时泵的性能下降趋势直接关系到管路内冷却水量下降的速度，因此在管路内气体增多的工况下，研究泵的性能尤为重要，分析泵在气液两相下的性能，进而得出性能曲线，据此进行系统故障下的应急时间余量计算及备用方案启动时间计算。
由于泵内充满气体的试验在实验室里通过观测和测量比较困难，而且在三维流动环境下很难估算泵内的实际情况，分析难度很大，在国外的文献中，Kastner和Seeberger，Narabayashi，Chen等人进行了关于泵在输送气液两相流方面的实验性研究，但均是针对通过比例缩放的模型进行分析，并且所用的工质是普通的水和普通的空气，无法准确模拟高温及汽化水情况下水泵的性能发挥情况。
本文的水泵工况是在泵内温度、气体含量、流量发生变化时，分析在该工况下泵的性能，据此判断整个系统冷却水量的变化情况。
1 数学模型建立1.1 气液两相双流体模型基本方程1.2 基本假设（1）循环泵在循環管路中已经出现两相流状态下运行，液体为不可压缩液体，气体为不可压缩水蒸气。
（2）假设气泡直径较小，可以忽略气泡对流场的影响，气泡间不发生破碎。
（3）气液两相相间无热量交换发生，系统内无化学反应。
（4）进口处气体在液相中分布均匀，进口气液两相具有相同的运动速度。
2 循环泵模型及边界条件给定分别对温度T=280 ℃、300 ℃、320 ℃，进口含气率vf=4%、6%、8%、10%、15%、20%时，水泵通过数值仿真计算得到的性能计算结果。
进口给定速度进口，出口为压力出口，根据不同温度分别给定为11.1 MPa、8.58 MPa、6.4 MPa。
搅拌槽内固液两相流的数值模拟及功率计算
搅拌槽内固液两相流的数值模拟及功率计算“搅拌槽内固液两相流的数值模拟及功率计算”是指对搅拌槽内固液两相流进行数值模拟，并使用建立的数学模型来计算该两相流系统所消耗的功率。
搅拌槽内固液两相流是指在一定的范围内，搅拌槽内同时具有液体和固体两种形态的物料。
搅拌槽内的液体物料流动的速度可以改变，而固体物料则不会流动，只能受到液体的拖拽而进行悬浮运动。
这种情况下，搅拌槽内的水流会被悬浮物扰乱，使得一般情况下搅拌槽内的流动形式非常复杂。
因此，要对搅拌槽内固液两相流进行数值模拟，首先要建立一个准确的数学模型，这一模型必须描述搅拌槽内的液体流动、固体悬浮运动以及固液间的相互作用。
具体来说，可以使用 Navier-Stokes 方程来描述液体的流动，而使用 Kynch 方程或者修正的 Kynch 方程来描述固体悬浮的动力学。
在建立好数学模型之后，就可以开始进行数值模拟。
可以利用计算机进行数值模拟，采用控制方程来求解建立的数学模型，以计算搅拌槽内的流动状态。
在进行数值模拟之前，需要根据实际情况进行一些网格划分，以便将复杂的流动过程分解成一系列相互独立的子问题，最终得到搅拌槽内流动的数值解。
最后，可以利用建立的数学模型来计算搅拌槽内的功率消耗。
功率消耗可以分为两部分：涡流功率和摩擦功率，前者是指液体流动对管道壁的拉力，而后者则是指液体流动与固体悬浮物之间的摩擦力。
可以利用建立的数学模型，计算出涡流功率和摩擦功率，最终得出搅拌槽内固液两相流的总功率消耗情况。
总之，“搅拌槽内固液两相流的数值模拟及功率计算”是指对搅拌槽内固液两相流进行数值模拟，并使用建立的数学模型来计算该两相流系统所消耗的功率。
这一过程中需要建立准确的数学模型，将复杂的流动过程分解成一系列相互独立的子问题，最终计算出搅拌槽内涡流功率和摩擦功率，以得出总功率消耗情况。
固液泵的两相流动
单圆弧型线, 双圆弧型线的中间圆半径 rΑ 的
大小对其本身有较大影响, 选用 rΑ= [ r1 r2 + 0. 5 ( r1+ r2) ] 2作为中间圆半径时, 这 时双圆弧和变角螺线较接近。变角螺线由于 符合叶轮中介质的运动迹线, 是最理想的型 线。
根据固液流动分析, 吸水室进口直径计 算式
D 0=
例, 分析叶轮中固液两相速度场, 液相相对 运动方程为
固液泵系指煤水泵、 渣浆泵等用于固体 物料水力输送的叶片泵, 在煤炭、 冶金及电 力等行业被广泛应用。按均质—相流论设计 的固液泵在抽送固液混合流体时效率普遍偏 低, 工作寿命短, 造成了能源和设备的大量 浪费。本文对固液泵内两相流动作了理论分 析。由两相流相对运动方程导出固液泵的基 本方程式, 并与清水泵的基本方程作了比较, 应用于离心泵的设计中, 推导出固液泵的两 相流设计计算式。
圆周分量
式 (8) 是固液泵的基本方程式, 是泵的
两相流设计的理论依据。这和清水泵的设计
理论既有一定的联系, 又有本质的区别。若固
液两相速度场相同, 则式 (8) 为
H T = (u2vu2- u1vu1) g n
(9)
上式是清水泵的基本方程式。以往用清 水泵的设计理论来设计渣浆泵、煤水泵等, 其 实质就是把固液两相流体作为单一流体流动 模型来考虑。由于泵内固液两相始终存在不 同的速度场, 采用单一流体流动模型设计的 泵的叶型和流道不能适应能量最有效的转 换, 使流道内流动状态恶化, 造成泵的效率 低, 使用寿命短, 运行噪声大, 振动大。研究 泵的两相流动设计, 使之与实际运行条件相 适应, 是提高固液泵性能的根本途径。
实践表明, 两相流理论设计原理考虑了 泵中固液速度比的变化规律, 符合泵的工作 条件, 可有效地转换能量, 防止泵过流件的 局部高速磨蚀破坏, 使固液泵高效节能, 耐 磨长寿。
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２１ Ｏ ２年 ３月
Ｍ ａｒ ２Ｏ１ ． ２
绞 吸式 开 采 系统 提 升 泵 固液 两 相 流 的数值 分 析
徐 海 良， 良程 ， 林 周 刚
（ 南大 学 机 电工 程 学院 高性 能复 杂制 造 国 家重 点 实验 室 ， 沙 中 长 ４０８） １ ０ ３
摘要 ： 针对绞 吸式开采方法水 力输送 系统 中的双流 道提升泵 内部规律 尚不 明确 ， 在水 力输送 固液
・
３ ・ ５
徐州工程学院学报（ 自然 科 学 版 ）
２１ ０ ２年 第 １期
基 本原 理 ： 底天 然气水 合物 先 由采掘 车上 的螺旋 切绞 刀进行 切割 和破 碎 ， 经提 升泵 抽吸 人管 道 内并 海 再 加压 ， 通过 硬管将 其输送 至海 面 的分 解 池 内 ， 利用 海 面海 水水 温 （ ２ 再 约 Ｏ℃） 入分 解 池提 高 分解 池 温 度 使 注
水合 物快速 分解得 到气 态天 然气 ， 气体 经干燥 收集 于集 气 站 内 ， 过软 管 连续 不 断输 送 至 运输 船 ， 矿 则 通 通 尾
过尾矿 管排 至海底 防止 污染 ．
提升泵 的性 能好 坏是该 开采输 送 系统可靠 好 坏的关 键 ， 合物 颗粒 密度 、 水 输送 颗粒 体积 分数 等因 素对泵 的磨损 和输 送性 能具有 一定 的影 响 ， 要 对该 提 升泵 的水 力 性 能 和 内部 流 场 的变 化 规 律 有 深入 的 了解． 需 因 此 ，需对 双流道 提升 泵 内固液两 相流 作进一 步 的研究 ．
基 金 项 目 ： 家 自然科 学基 金 项 目（ ０ ７ ２０ 国 ５ ９ ５９ ） 作 者 简 介 ： 海 良（９ ５ ） 男， 南 湘 乡人 ， 授 ， 士 ， 士 生 导 师 ， 事 海 洋采 矿 和 矿 山机械 研 究 徐 １６ 一 ， 湖 教 博 博 从
通 讯 作 者 ： 良程 （９ ６ ） 男， 江 温 州人 ， 士 ， 事 深 海 采 矿和 矿 山机 械 研 究 ． 林 １８ 一 ， 浙 硕 从
两相流 中容 易出现使用 效果不理想 、 易磨损 的 问题 ， 应用 Ｆｕｎ 软件 ， ｌｅ ｔ 采用 Ｍｉｔｒ 模 型、 Ｎ 两方程 ｘｕｅ Ｒ Ｇ
湍流模 型和 ＳＭＰ Ｅ Ｉ Ｌ Ｃ算法对提升 泵在 不 同颗粒 密度和体 积分 数下 内部 的流场进 行 了数值 计算和 对 比分析 ， 计算结果 显示： 随着颗 粒密度和颗粒体 积分数 的不 断增 大， 壳 内的颗 粒 向外周 壁积聚 ， 叶 涡 而
２ 双 流 道提 升 泵 的数 值 分 析
２ １ 控制 方程 和湍流 模型 ．
出于仿 真分 析 的方便 ， 合实 际情 况 ， 结 对泵 内固液两 相流做 如 下简化 ： １ ）两相流 均为 不可压 缩 、 续 的流体． 连 ２ ）两相各 物理 特性均 为 常数． ３ ）固相颗 粒相 为球形 颗粒 ， 且粒 径相等 ， 不考 虑相 变． 采用 Ｍｉｔｒ 多相 流模 型 ， ｉ ｌ 算 法 ， 行数值 计算 ， ｘｕ ｅ Ｓｍｐｅ ｃ 进 其控 制方 程如 下Ｅ ｏ： ８３ ｑ
第 ２ Байду номын сангаас 第 １期 ７
Ｖｏ１ ．２７ Ｎｏ．１
徐 州 工 程 学 院 学 报 （自 然 科 学 版 ）
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ Ｘｕ ｈ ｕ ｎ ｔｔｔ ｏ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ （ ｔ ｒｌ ｃｅ ｃ ｓ ｏ ｒ ａ ｆ ｚ ｏ Ｉｓｉｕｅ ｆ ｃ ｎ ｌｇ Ｎａｕ ａ Ｓ ｉｎ ｅ Ｅｄｔ ｎ ｉｉ ） ｏ
中图分类 号 ： ７ ４ ＴＤ ０ 文 献标 识码 ： Ｐ ７ ； ８７ Ａ 文 章编号 ：６ ４３ ８ ２ １ ） １０ ３ －６ １ ７－ ５ Ｘ（ ０ ２ ０ —０ ５０
经济 持续发 展 的今 天 ， 能源 危机 已成为世界 各 国面临 的严 峻 问题 ． 海底 天然气水 合物具 有资源 量大 、 量 能 密度 高 、 分布广及埋藏浅等 诸多优点 ， 已被公认 为是最具前 景 、 最理 想 的清洁能 源和替代 能源［ ］ 目前 ， １． 常用 水 合物 开采方 法如减压开采法 、 热激 发开采法 、 注入 化学试剂法和 ｃ ２ ０ 置换法 因无 法构筑封 闭开采环境 而无 法 ］ 实施 ． 徐海 良等［ 根据水力输送原 理和海底天然气 水合物无严实 覆盖层贮 存 的地质 特点 ， ４ ］ 结合 深海采 矿技术 和 绞 吸式挖泥船技术 ， 出了一种全新 开采方 法—— 绞 吸式开采 方法 ， 提 无需 构筑封 闭 的开采 环境 ， 将开 采 的天 能 然气水合 物颗粒直接输送 到海面 ， 该方法简单 、 靠性高 ， 可 具有重要 的使用价值和理论 意义．
连续方 程
（ ）＋
Ｃ，
・（ ｍ ）一 ０， ｐ
（） １
动量方 程
８ｔ
（ ｍ＋ ・ ＇， 一 ｐ ・ （ ， ］ ｐ Ｆ ・∑口 ｒ，女 （ Ｖ） （ ， 一 ＋ ［ １－ ） ｌ ４ ￣ ｉ － － （ ＇， ．． ２ ｎ ４ ４ ｇ Ｉ， ｌ ） ） Ｄｄ
１ 天 然 气 水 合 物 绞 吸式 开 采 系统 的 原 理
绞 吸式开 采方 法主要 由海 底采 掘车 、 提升 系统 和海面 分解集 运 系统三 个部 分组成 ， 图 １ 示． ］如 所
图 １ 海底 天 然 气 水 合 物 绞 吸 式 开 采 原 理
收 稿 日期 ：０ １１ 一Ｏ ２ １ — Ｏ２
轮 内颗粒 由叶轮 背面 向叶轮工作 面转 移， 固液 两相 离析加 剧 ， 的水 力效率 降低 ， 泵 扬程减 小 ； 同时 ， 颗
粒体 积分 数对泵效 率的影响存在 一个极 大值 点 ， 体积分数低 于 ｌ 时随体 积分数增大 而增 大， ５ 增幅缓 慢； 当体 积分数高于 １ 时， 的效 率随颗 粒体积分数增 大而 降低． ５ 泵 关键 词 ： 双流道 泵 ； 固液 两相流 ； 数值 计算