离心泵内部盐析流场的数值模拟及实验研究

论文摘要

本文研究工作在国家自然科学基金项目“叶轮机械内部伴有盐析的液固两相流动的研究”（No.50476068）资助下完成。在现代工业中,伴有盐析的液固两相流普遍存在于制浆造纸、石油化工、采卤制卤等行业中。为了更好地研究叶轮机械内部的盐析过程,掌握盐析与叶轮机械内部流动的关系,为机械的防盐析设计提供理论依据,将由于盐析而造成对生产的影响降到最低。本文在前人研究的基础上,对离心泵内部的盐析两相流动进行了理论、数值模拟及实验研究,进行的主要工作及创新性成果如下:1、全面分析了盐析晶体成核的基本类型,认为本文研究的实际工业生产中盐析现象,成核的主导机制为非均相成核和二次成核,它们对盐析过程具有极其重要的影响;阐述了盐析生长的基本理论,盐析晶体的生长过程是由扩散与表面反应共同控制的,生长速率也是由两者共同决定。2、研究了管道内硫酸钠溶液盐析过程:提出盐析延迟时间的概念,研究中发现当管内流速小于1m/s时,延迟时间随着流速的升高显著降低,流速高于1m/s后,延迟时间随着流速的变化将不再明显;随着温度的升高,延迟时间明显变长;同时研究了环境温度、溶液浓度对盐析层热阻的影响;通过基础性实验研究,区分盐析过程的不同阶段,以此为基础建立了管内盐析晶体沉积速率的计算模型,并用此模型预测了管内盐析层热阻的变化。3、对离心泵的性能随着盐析过程的变化做了系统研究,发现在盐析延迟阶段离心泵的性能基本保持稳定,在盐析过程的晶体生长阶段,由于大量晶体的出现,使离心泵的扬程下降,功率增大,效率降低;从晶体颗粒运动方程出发,通过分析得到离心泵叶轮出口晶体颗粒相和液相的速度三角形之间的关系,发现晶体颗粒的绝对速度圆周分量Vcu小于液相的Vlu,从理论上验证了泵输送含有晶体颗粒的溶液时扬程下降。4、利用双流体模型建立盐析两相积分守恒方程,微分守恒方程,利用体积平均法得出相间质量、动量、能量交换率的积分表达式,并运用雷诺时均方法得到两相湍流控制方程组;考虑盐析过程中一般伴有化学反应,晶体离散相同时出现成核、长大、聚并、溶解、破碎等多种行为,引入晶体生长动力学中的数量平衡方程,通过该方程中源项的设置来综合考虑离散相的多种行为。5、通过贴体坐标转换,得到了贴体坐标下的盐析两相湍流的通用控制方程;利用FLUENT商用软件结合用户自定义函数,引入盐析颗粒的成核和生长,首次对离心泵全流道内的三维盐析两相湍流进行了数值计算,并分析了离心泵全流道内盐析两相流场随温度的变化规律,初步揭示了离心泵内盐析两相流动的特性。6、构建了测试离心泵内部盐析流场实验台,设计并制作满足PIV测试要求的模型泵;编写了针对盐析流场特性的图像处理程序,利用PIV测试了盐析过程中不同状态下的离心泵内部流场,主要结论有:（1）在盐析延迟期内,溶液中没有盐析晶体颗粒,叶轮以及蜗壳内的流场均未发生明显变化;（2）在延迟期后,系统中出现大量晶体,通过图像处理获得了该温度下盐析颗粒的粒径分布在30μm左右,该状态下盐析晶体颗粒的跟随性较好,对液相的流场影响很小;（3）对比40℃盐析两相流场在叶轮内不同断面上的分布,由于叶轮前后盖板的阻尼作用,从而使前后盖板附近的液固两相的相对速度比中间截面的相对速度小些,其中晶体颗粒的相对速度尤其明显;（4）随着系统温度降低至34℃,系统中的颗粒逐渐长大,流道中部区域的颗粒往叶片压力面运动的趋势更加明显。本文分析认为一方面由于压力面中部区域附近的低流速使得颗粒受到周围液体的剪切力较小,有利于晶体的生长,另一方面由于颗粒密度较大,其所受合力偏向于叶片的压力面,有利于晶体颗粒向压力面方向运动。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的研究背景、目的和意义
• 1.2 离心泵内部流场的研究现状
• 1.2.1 离心泵内部单相流场的研究现状
• 1.2.2 离心泵内部液固两相流场的研究现状
• 1.3 盐析流动的国内外研究现状及发展趋势
• 1.3.1 盐析流动的国内外研究现状
• 1.3.2 叶轮机械内部盐析流动的研究现状
• 1.3.3 叶轮机械盐析流场研究发展趋势
• 1.4 离心泵内部盐析两相流场的实验研究
• 1.4.1 实验研究方法
• 1.4.2 两相分离方法
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 盐析过程基本理论
• 2.1 盐析晶体成核
• 2.1.1 成核的基本类型
• 2.1.2 均相成核
• 2.1.3 非均相成核
• 2.1.4 二次成核机理
• 2.2 盐析晶体的生长
• 2.2.1 相变驱动力的一般表达式
• 2.2.2 溶液中的相变驱动力
• 2.2.3 盐析晶体生长基本理论
• 2.2.4 盐析晶体生长的输运过程
• 2.3 本章小结
• 第三章 盐析过程的基础实验研究及数学模型的建立
• 3.1 实验装置及实验方法
• 3.2 管内盐析流动的研究
• 3.2.1 传热段盐析层热阻测量原理
• 3.2.2 盐析延迟时间
• 3.2.3 传热模拟段实验研究
• 3.3 盐析流动模型及盐析层热阻的计算
• 3.3.1 沉积速率的计算
• 3.3.2 盐析层热阻的计算
• 3.3.3 实验与计算结果对比
• 3.4 盐析过程对泵性能影响的研究
• 3.4.1 实验结果
• 3.4.2 盐析过程中扬程降低的分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 盐析两相流模型的建立
• 4.1 多相流模型概述
• 4.2 盐析两相流模型的建立
• 4.2.1 积分形式的守恒方程
• 4.2.2 瞬时的、局部的相守恒方程
• 4.2.3 平均的两相流方程
• 4.2.4 各种本构关系的建立
• 4.3 盐析两相湍流模型
• 4.3.1 连续相溶液的模拟
• 4.3.2 晶体离散相的模拟
• 4.3.3 通用微分方程的建立
• 4.4 数量守恒方程
• 4.4.1 坐标变量
• 4.4.2 数量平衡方程
• 4.4.3 颗粒的生长和溶解
• 4.4.4 破碎和聚并引起的颗粒产生和消亡
• 4.4.5 由于成核而生成的颗粒
• 4.5 本章小结
• 第五章 离心泵内部盐析流场数值计算
• 5.1 盐析两相湍流控制方程的贴体坐标变换
• 5.1.1 坐标变换关系
• 5.1.2 盐析控制方程的坐标变换
• 5.2 离心泵内部的网格生成
• 5.2.1 离心泵的基本参数
• 5.2.2 网格生成概述
• 5.2.3 贴体计算网格的生成
• 5.2.4 非结构网格的生成概述
• 5.2.5 离心泵计算区域内网格生成
• 5.3 离心泵全流道内湍流数值模拟
• 5.3.1 叶轮和蜗壳的耦合
• 5.3.2 边界条件
• 5.3.3 计算结果及分析
• 5.4 离心泵全流道内盐析两相流数值模拟
• 5.4.1 基本假设
• 5.4.2 计算区域及网格划分
• 5.4.3 边界条件
• 5.4.4 计算结果及分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 离心泵内部盐析流场的实验研究
• 6.1 PIV测量技术
• 6.1.1 PIV测试系统
• 6.1.2 测试旋转流场的附件
• 6.1.3 示踪粒子的选择
• 6.1.4 测量精度分析
• 6.2 离心泵内部清水流场的PIV测量
• 6.2.1 实验装置及测量断面
• 6.2.2 PIV测量遵循的准则
• 6.2.3 测量步骤
• 6.2.4 清水实验结果
• 6.3 盐析流场的PIV测量方法
• 6.3.1 图像预处理及二值化
• 6.3.2 粒子的标记
• 6.3.3 粒子的识别
• 6.3.4 粒子的区分
• 6.4 离心泵内部盐析流场的测量
• 6.4.1 实验装置及测量系统
• 6.4.2 实验步骤
• 6.4.3 蜗壳内流测试结果
• 6.4.4 叶轮内流测试结果
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 研究总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间取得的相关科研成果
• 致谢