动力工程及工程热物理进展

浙江工业大学攻读硕士学位研究生课程文献综述专业动力工程及工程热物理课程名称动力工程及工程热物理进展任课教师包士毅等姓名赵李盼2016年1月10日多相流技术在泵研究发展中的应用分析概述两相流动主要分为气液和固液的混合运动。两相流广泛应用于能源、化工、冶金,核能、冶金等领域。早在年,两相流就被用来减少波浪对建筑物的破坏作用。此后,在工程中也得到越来越广泛的应用,如在河口用气泡幕防止盐水入侵控制水库和湖泊中的分层结构以及改善水质加速反应装置中的物质混合、热量交换、以及化学反应过程在城市河流污染治理中,用纯氧曝气复氧来治理污染河流、消除黑臭。在电力行业中的应用主要体现在火力发电厂的水力除灰系统中,和火力发电厂湿式石灰石洗涤法脱硫系统中。气液两相流动很大程度上取决于气泡运动形态以及分散相和连续相之间的相互作用。然而,在气液两相流动中,气液两相的流速是不同的。在流动时,气液两相的流动结构又是多样的,而且,带有随机性。有关固液两相流的问题很早就己经提出。早在年就己经较系统地研究过明渠水流中泥沙的沉降和输运。于年研究过声波在泡沫液体中传播时强度的衰减。但是许多经验和研究成果分散在各个不同领域,交流不多。直至上世纪四十年代,刁`开始有意识地总结归纳所遇到的各种现象,用两相流的统一观点系统地加以分析和研究。五十年代以后相关的论文数量显著增加,内容包括两相流边界层,空化理论,流态化技术,喷管流动等。六十年代以后,越来越多的学者开始探索描述两相流运动规律的基本方程。两相流作为一门独立的学科形成,并有了迅猛阶段,但迄今为止还没有非常成熟的体系,尚处于发展初期,很多方面都要依赖于经验数据,而且数据的分散性很大。一．数值模拟技术简介1.按固液两相的耦合程度不同分类（1）两相平衡流模型，又称为均匀流模型，它假设两相的速度彼此相等，两相有着相同的运动参数，互不影响，因而这种模型比较简单，被广泛应用于各种产品设计的理论性计算中。（2）一方耦合模型，此模型假设流体不受颗粒存在的影响，但颗粒在流体的带动下被牵引运动，适用于颗粒浓度非常低的两相流动。（3）两相不平衡流模型，又称分离流模型，其中的两相的速度彼此不相等，两相间存在滑移速度。混合物中的各相因物化特性不同，其运动规律不可能完全一致。该模型综合考虑了两相之间的速度差异，更接近多相流的实际情况，因此较前两种模型更为精确，但同时也更为复杂。2.按刻划的尺度和属性的不同分类（1）连续介质模型连续介质模型是将颗粒相看成是拟流体，颗粒相和流体相皆采用欧拉坐标描述，这是目前在两相流动研究领域中使用最为广泛的一种方法。如果其中的颗粒相仅视为一相来处理的话，常常又被称为双流体模型(Two-FluidModel)。该模型还可以细分以下几种：无滑移模型假定所有颗粒的温度、物质密度都相等，并且它们的平均速度和当地的流体相速度也相等，不考虑流体与颗粒的相对滑移和两相间的阻力，颗粒扩散相当于流体组分的扩散。该模型把颗粒相处理得非常简单，易于计算，它但是没有考虑相间的速度滑移违背了客观规律，现在已基本不再应用了。小滑移模型假定颗粒在流体的夹带下运动，同相的速度、温度、物质密度和颗粒直径均相同，颗粒在流场中有扩散漂移，即小滑移。此模型是建立完整的两相流模型的开端，它考虑了颗粒的滑移和两相间因滑移而引起的相间拽力，但还是没有全面地描述颗粒的运动，与实验观察结果相差较大。滑移-扩散模型该模型既考虑了相间的平均速度滑移，又考虑了颗粒群的湍流扩散，是目前较为完善的多相流动模型。由于引入了颗粒群的运动参数，所以控制方程的求解计算量增大，对含多种不同规格的颗粒群来说不易实现。此外，目前对初始边界条件及扩散系数的确定都是经验数据，有关的参数修正系数研究还不是很充分，有待进一步探讨。（2）颗粒群轨迹模型离散颗粒群模型就是把颗粒作为离散介质来考虑，更符合实际流动，因此对该模型的研究较为深入。该模型可分为：单颗粒动力学模型-假设颗粒对流场没有影响，颗粒的运动互不相关，相间存在较大的速度滑移。该模型是最早的两相流模型，它可应用解析法分析颗粒的运动轨迹以及速度的变化。它的前提条件也就限定了它只适用颗粒浓度小，滑移量相当大的流场。颗粒轨迹模型假设离散颗粒各自沿自己的轨道运动，相间存在大滑移，但不考虑颗粒群的湍流扩散。该模型已经广泛用于两相流的研究，它能够模拟复杂过程的颗粒相运动规律，却没能全面地考虑颗粒的质量、动量和能量的湍流扩散过程，在复杂流场中，连续的颗粒速度和浓度的空间分布也很难给出，因此，要想和实测的欧拉坐标颗粒特征对照就非常困难。颗粒湍流扩散的拉格朗日模型该模型是对颗粒轨迹模型的修正，它充分考虑了颗粒的湍流扩散效应。其修正方法有人为地加入漂移速度、漂移力的概念和用随机的方法来处理颗粒的运动两种，其中采用第二种方法较多。流体拟颗粒模型该模型从刻划单颗粒尺度上的运动行为入手，不仅将宏观离散的颗粒当成离散相处理，还将宏观连续的流体也采用拟“颗粒”性质的流体微团来处理，从而可以模拟远离平衡态的系统。这类模型对流体、颗粒的运动都是采用拉格朗日坐标来描述。3.FLUENT多相流模型分类1、气液或液液流动气泡流动：连续流体中存在离散的气泡或液泡液滴流动：连续相为气相，其它相为液滴栓塞（泡状）流动：在连续流体中存在尺寸较大的气泡分层自由流动：由明显的分界面隔开的非混合流体流动。2、气固两相流动粒子负载流动：连续气体流动中有离散的固体粒子气力输运：流动模式依赖，如固体载荷、雷诺数和例子属性等。最典型的模式有沙子的流动，泥浆流，填充床以及各相同性流流化床：有一个盛有粒子的竖直圆筒构成，气体从一个分散器进入筒内，从床底不断冲入的气体使得颗粒得以悬浮。3、液固两相流动泥浆流：流体中的大量颗粒流动。颗粒的stokes数通常小于1。大于1是成为流化了的液固流动。水力运输：在连续流体中密布着固体颗粒沉降运动：在有一定高度的盛有液体的容器内，初始时刻均匀散布着颗粒物质，随后，流体会出现分层。4、三相流以上各种情况的组合多相流动系统的实例气泡流：抽吸、通风、空气泵、气穴、蒸发、浮选、洗刷。液滴流：抽吸、喷雾、燃烧室、低温泵、干燥机、蒸发、气冷、洗刷。栓塞流：管道或容器中有大尺度气泡的流动分层流：分离器中的晃动、核反应装置沸腾和冷凝粒子负载流：旋风分离器、空气分类器、洗尘器、环境尘埃流动气力输运：水泥、谷粒和金属粉末的输运流化床：流化床反应器、循环流化床泥浆流：泥浆输运、矿物处理水力输运：矿物处理、生物医学、物理化学中的流体系统沉降流动：矿物处理。4.多相流模型的选择原则1、基本原则（1）对于体积分数小于10%的气泡、液滴和粒子负载流动，采用离散相模型。（2）对于离散相混合物或者单独的离散相体积率超出10%的气泡、液滴和粒子负载流动，采用混合模型或欧拉模型。（3）对于栓塞流、泡状流，采用VOF模型（4）对于分层/自由面流动，采用VOF模型（5）对于气动输运，均匀流动采用混合模型，粒子流采用欧拉模型。（6）对于流化床，采用欧拉模型（7）泥浆和水力输运，采用混合模型或欧拉模型。（8）沉降采用欧拉模型（9）对于更一般的，同时包含多种多相流模式的情况，应根据最合适的流动特性，选择合适的流动模型。此时由于模型只是对部分流动特征采用了较好的模拟，其精度必然低于只包含单个模式的流动。2、混合模型和欧拉模型的选择原则VOF模型适合于分层的或自由表面流，而混合模型和欧拉模型适合于流动中有相混合或分离，或者分散相的体积分数超过10%的情况（小于10%可使用离散相模型）。1)如果分散相有宽广的分布（如颗粒的尺寸分布很宽），最好采用混合模型，反之使用欧拉模型。2)如果相间曳力规律一直，欧拉模型通常比混合模型更精确；若相间曳力规律不明确，最好选用混合模型。3)如果希望减小计算量，最好选用混合模型，它比欧拉模型少解一部分方程如果要求精度而不在意计算量，欧拉模型可能是更好的选择.但是要注意，复杂的欧拉模型比混合模型的稳定性差，可能会遇到收敛困难。4.选用FLUENT多相流模型的几个要点多相流的计算，首先是要对要研究的问题要有一个比较详细的了解。你对模拟过程了解多少，可能的结果是什么。可以想象一下你模拟的过程，你想要得到的结果侧重点在哪里，等等。然后根据问题选择不同的多相流模型。由于不同的模型适合不同的模型，因此首先要对FLUENT各个多相模型有一明确的概念。你如何简化问题另外，网格的划分很重要。尽量采用简单的网格。网格的疏密程度，那些地方要细，那些地方可以疏些，等等。好的前处理对获得快速收敛的解非常非常重要！5.关于FLUENT不同多相流模型的选择和比较1)对DPM模型，采用的是Lagraian-Eulerian方法。粒子的运动是按Lagrarian方法，连续流体的计算是按Eulerian方法。DPM可以跟踪单独粒子的运动轨迹。该方法不考虑粒子对连续流体运动的影响，所以只适用于粒子体积占总体积不大于10%的情况。2)VOF模型。该模型能够比较好的反映多相流之间的界面情况。比如大的气泡以比较慢的速度在液体中流动，气液界面等。由于VOF模型采用的方程中的各项物性参数，如密度，粘度等，是各相物性的体积平均值，所以要求各相的速度之间差别不能太大，否则会对计算结果的精度影响很大。一般情况VOF采用非稳态模拟比较好。主相的体积值不是从体积守恒方程得到的，而是1减去其他离散相的值。3)Mixture模型。此模型考虑了离散相和连续相的速度差，及相互之间的作用。但相与相之间是不相容的。动量方程及连续方程等中各物性参数采用的是各相体积平均值。主相的体积值不是从体积守恒方程得到的，而是1减去其他离散相的值。4)Eulerian模型。此模型可以对各相进行单独的计算，每相都有单独的守恒方程。据有很大的适应性。但代价是由于要对各相都要进行独自计算迭代，计算机时是很巨大的。故Mixture是Eulerian模型的一种折衷。两相流的物理模型是建立两相湍流流动方程的基础。二．泵的简介两个或两个以上不同的相位或组分在一起混合流中的流动现象称为多相流，多相流动的过程中往往伴随着各种能量交换，介质交换，化学反应或物理和化学过程。这些过程有很多存在于自然界乃至各行各业（冶金，石化，电力，能源等）的生产过程中，如在化学工业中的各种酸性液体、碱性液体混输并发生化学物理反应，传输液体介质时包含固体颗粒以及粘稠的介质等生产过程都需要用到多相流体混输泵。因此，多相流体混输泵在社会发展的各行各业都有广泛的应用前景，也在现代社会的国民经济发展中扮演了非常重要的角色。现代社会工业高度发展，越来越多的生产过程都需要输送多相流体介质，所以多相流体介质的混输技术是当今社会输送技术的发展趋势。多相流体混输泵是多相混输系统中的重要设备，尤其在化工，石油，建筑等工业领域的作用更为显著。由于混输的流体是含固、液、气及各种杂质的多相流体介质，在混输的过程中气相和固相含量经常超出常规泵或压缩机的工作范围，因此多相混输泵必须具有泵和压缩机两种性能，是一种特殊的增压设备。上世纪年代以来，国外的高校，各大科研机构和设备公司多方联合，投入了大量的财力和物力进行多相流体混输技术研究。截至目前，国外公司已经研发出了许多不同类型的多相流体混输泵。为了适应多相流体流动的的复杂性，每种多相粟都有其工作条件与范围。许多国家的工业生产中已经应用了这些多相粟，并取得了良好的效果。而国内相关的研究较为缓慢，与国外的先进水平差距较大。目前，在胜利、河南中原、辽河、吐哈、江苏、大港、塔河、大庆等油田已经应用多相混输泵技术，并且大多数泵的运行良好。螺杆泵是这些油田使用的多相混输泵的主要类型，约占，并且均是国外的技术。可以看出，在多相流体混输技术方面，国内相比国外起步较晚，研究和应用均存在着一定的差距。因此，导叶式螺旋离心内固液两相流动的数值计算与分析加快发展中国的多相流体混输系统包括各种化工工业、石油工业等特色多相混输系统对缩短与国外先进水平的差距有着极其重要的意义。多相混输泉分类多相混输泵按工作原理的不同可分为两类：旋转动力式多相混输泵和容积式多相混输泵两种类型。旋转动力式多相混输泵可分为螺旋离心泵、轴流泵