固液两相流的研究现状及进展

固液两相流的研究现状及进展

摘要：本文主要写了固液两相流泵在国内的研究现状以及分别从内特性、外特性两方面对国内固液两相流泵的研究进展进行分析。文中还给出了对固液两相流动中的最佳流动模式进行了探讨及固液两相流泵常用研究方法的分析。

关键词：固液两相流泵数学模型流动模式牛顿流体

1．固液两相流泵在国内的研究背景

我国对液固两相流泵的研究则始于20世纪70年代末80年代初,直到80年代中期以后按两相流理论设计的泵才逐步得到应用。经过几十年的努力,我国两相流泵技术也得到了长足的发展, 国内许多学者应用两相流理论对固液泵进行了水力设计和试验研究, 积累了许多很有价值的经验和数据, 为我国对液固两相流泵的研究开辟了广阔的道路。

2.国内固液两相流泵的研究现状

固液两相流泵的基本概念通常分为两类①杂质泵，包括泥浆泵、砂泵、挖泥泵等，主要用于冶金、矿山开采、电力、煤炭、水泥等行业抽送尾矿、精矿、灰渣、煤泥、水泥等，也可用于江、河、湖、海的挖泥和疏浚。离心式泵约占杂质泵总量的70% 左右，这类泵主要应考虑磨损问题。市场调查发现: 上海主流泵生产企业生产的离心式的固液两相流泵主要是渣浆泵。②无堵塞泵，包括旋流泵、单流道泵、多流道泵、螺旋离心泵和开式或半开式离心泵等，主要用于抽送污水、纸浆、纤维等，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，所以固液两相流泵在性能、噪声、寿命等方面存在着较大的缺陷。为了克服上述缺点，国内外学者先后通过理论分析，实验研究和数值模拟等方法深入研究固液两相流泵的流动机理，优化泵的设计来提高其效率和寿命，降低噪音。

3.固液两相流泵的研究理论

3.1外特性研究

20 世纪30 ～ 60 年代，国外学者研究固液相的性质与外特性关系得出的主要结论是: ①泵的扬程随着浓度的增加而下降; ②泵的

功率随着浓度的增大而增大; ③泵的效率随着浓度的增加而下降;④泵的最高效率点向着小流量区偏移。固液混合物的性质( 浓度、比重、粒径) 对离心泵性能方面的影响。固液混合物按固相比例分为高浓

度和低浓度。由于实际应用和实验大多数是在低浓度下，固体颗粒的质量分数上限为35% ，而对应的体积分数基本在15% 范围内，相当多的文献记载用CFD 方法分析过固相体积浓度为15% 范围内的渣浆

泵的流场。

3.2 内特性研究

固液两相流的内特性研究主要通过以下几个部分来进行：

3.2.1 叶轮内的运动规律

代表性的是B． K．苏波隆运用高速摄影技术研究固体颗粒在叶轮内部运动规律时得出的成果: ①叶道内固体颗粒运动轨迹的特点是: 小颗粒( 1 ～2mm) 大致沿着叶片的工作面运动，大颗粒( 8 ～10mm) 由于离心力作用，运动背离工作面; ②叶轮直径等于310mm，

大颗粒出口角为30°～ 50°，而小颗粒出口角为10°左右; ③小颗粒分布均匀，大颗粒集中在泵壳内壁。

3.2.2叶轮内部磨损

固液两相流泵因其工作介质的缘故，磨损是其面临的主要问题之一。它的产生原因可分为三个部分:固体颗粒的冲击造成的损伤、汽蚀损伤、损伤和腐蚀共同作用造成的损伤。

工业应用表明: 叶轮是固液两相流泵内磨损最严重的零件，而叶轮出口处又是叶轮中磨损最严重位置之一，叶片工作面与后盖板相交棱角处有很深的条形沟纹，这种条形沟在叶片工作面的不同部位深度和宽度不同，一般在叶轮出口附近最深．甚至有可能使叶片或后盖板洞穿。叶片非工作面上有凹凸不平的麻坑，但相对工作面磨痕较浅．叶片入口附近有带形的凹坑，个别凹坑很深甚至使后盖板洞穿而导致叶轮失效。叶轮前后盖板的内表面有颗粒滑痕，除靠近叶片工作面位置外，磨损较轻; 外表面光滑、有均匀磨损痕迹。离心泵的磨损与颗粒的运动轨迹，速度及分布以及泵内流场有很大的关系。泵运行过程中产生的Von － Mises 力，随着颗粒的直径、速度、入侵角的增大而增大，而与颗粒的锥顶角负相关。通过反复试验得出: 采用小叶片出口角β2、少叶片数Z 和大出口宽度b2的叶轮能减轻泵的磨损。

3.2.3 蜗壳内固体颗粒的运动规律

叶轮出口的流体沿径向高速流出，夹带的固体颗粒直接冲刷蜗壳圆周外壁，形成高浓度区固相的滑动床，因此比蜗壳侧壁的磨损要

严重得多。数值模拟和试验研究还显示，在对称轴面按螺旋角增大方向的固相分布规律是: 冲击磨损最为严重的是隔舌位置; 磨擦，磨损逐渐加剧。

4 两相流泵数学模型建立

4.1 单流体模型

这种模型把离散固体颗粒和流体看作混合流体来处理, 流体与固体之间的流动参数与混合物平均运动参数之间用一个附带扩散速度本构关系的所谓扩散方程联系起来, 所以不需用颗粒动量和能量方程, 只要有固体颗粒的连续方程或扩散方程即可。这种模型直观、简单。但由于其没有考虑两相之间的相互作用和相互影响,不能反映泵内部两相流的运动规律。

4.2双流体模型。

双流体模型认为固体颗粒和流体相之间存在速度差, 存在相互作用和影响, 并认为颗粒具有与流体类似的湍流特性。此模型的处理方法一般是分别建立流体相和固体颗粒相的基本方程,并通过颗粒与流体之间的相互作用来使两相联系。

4.3固相颗粒随机轨道模型

随机轨道模型把固体颗粒当成离散相,以拉格朗日法进行处理, 而流体相用欧拉型的连续介质模型来描述。考虑流体对颗粒的作用,计算颗粒轨迹及其沿程变化, 归结于用Monet-carlo方法求解颗粒的瞬态动量方程。许洪元等用此模型计算了固液两相流泵叶轮中固体颗粒的运动轨迹, 并与实验结果相比较,能够较好地吻合。

4.4 固液两相湍流的KET模型和动力学模型

对于固体颗粒浓度比较大的情况,由于固体颗粒之间碰撞加剧, 用前面介绍的几种模型,会造成比较大的误差。由此,魏进家等建立了描述密相的液固两相湍流的KET模型。由颗粒相动力学理论,把密相流动的颗粒运动分为3部分(平均运动、颗粒群的脉动和单颗粒的随机脉动),同时再加上颗粒湍动能的耗散作用。徐义华等用此模型模拟离心叶轮内的含颗粒幂律流体的两相流动。唐学林等运用分子动力学法, 基于固体颗粒的Boltzmann方程,得到高浓度液固两相流湍流的连续方程和动量方程,并考虑颗粒的相互作用,由动力学方法推导出高浓度时的颗粒间碰撞项, 由此建立高浓度液固两相湍流的动力学模型。

4.5大涡模拟

大涡模拟(LES)是通过滤波函数,在大尺度内直接求解N-S方程对小尺度涡采用亚格子模型(SGS)模拟。吴玉林等在双流体模型的基础上,用大涡模拟思想,通过滤波函数,分别对流体相和颗粒相建立了连续方程和动量方程, 计算了液固两相流泵固液两相湍流流动, 并与实验结果进行了比较。

5固液两相流泵常用研究方法的分析

常用的研究方法主要有理论分析、试验分析、数值模拟。在20 世纪80 年代之前，研究叶轮机械的主要方法是理论分析和实验研究后来随着电子计算机的发展，数值模拟占据着研究叶轮机械越来越重要的地位。

5.1理论研究