【摘要】：本文的研究是在國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“典型離心泵關(guān)鍵技術(shù)研究及工程示范應(yīng)用”(No. 2011BAF14B00)和江蘇省科技支撐(工業(yè))計(jì)劃項(xiàng)目“火電廠大型系列煙氣脫硫吸收塔循環(huán)泵關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用”(No. BE2011141)的資助下開展的。脫硫泵是煙氣脫硫裝置的核心設(shè)備,由于其輸送介質(zhì)中含有石灰石等固體顆粒,存在磨損和效率低等關(guān)鍵技術(shù)問題。為了更好地了解兩相流泵的內(nèi)部流動(dòng)問題,本文對(duì)兩相流泵常用的葉片型線進(jìn)行深入研究,結(jié)合管道分析方法研究葉片型線的變曲率對(duì)固液兩相流動(dòng)的影響,分別借助粒子圖像測(cè)試技術(shù)(P1V)、數(shù)值模擬技術(shù)(CFD)、高速攝像技術(shù)(HSV)和離散單元法(DEM)等研究了不同形式的變曲率流道內(nèi)固液兩相的流動(dòng),并把部分研究成果應(yīng)用于大型脫硫泵中,為大型脫硫泵的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。本文研究的主要工作和創(chuàng)造性成果如下：(1)總結(jié)了固液兩相流泵的研究現(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)改善泵內(nèi)固液兩相流動(dòng)是消減顆粒磨損和提高效率的根本途徑；歸納了固液兩相流的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀,介紹了在巖土力學(xué)方面應(yīng)用的離散單元法(DEM),建議在固液兩相流泵應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)引進(jìn)先進(jìn)的DEM方法；對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié),發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與曲率是影響葉輪內(nèi)部流動(dòng)的主要兩個(gè)因素,提出參照渦輪機(jī)、壓縮機(jī)等對(duì)葉輪內(nèi)各種彎曲流道進(jìn)行簡(jiǎn)化對(duì)比研究,選取影響因素之一的曲率作為本文重點(diǎn)研究對(duì)象。(2)首次結(jié)合固液兩相流泵的葉片型線和管道設(shè)計(jì)方法,深入研究葉片型線的變曲率流道對(duì)固液兩相流動(dòng)的影響�；诮馕鰩缀畏椒ǚ謩e設(shè)計(jì)了三種葉片型線：雙圓弧線、變角螺旋線和漸開線,對(duì)比了三種型線的曲率比和安放角規(guī)律；利用PIV技術(shù)分別測(cè)試了三種變曲率流道內(nèi)沿主流方向的瞬時(shí)速度,并對(duì)比分析了其平均軸向速度、總剪切力、速度的均方根值和渦量等。結(jié)果表明：三種型線由于曲率比的不同使得各個(gè)物理量的分布規(guī)律均有所差異,總體而言曲率比變化規(guī)律相似的變角螺旋線和漸開線的分布規(guī)律接近,而雙圓弧內(nèi)各物理量的分布與另外兩個(gè)型線存在差異,主要表現(xiàn)在物理量的大小分布方面。(3)采用CFD方法首次分析了三種變曲率流道內(nèi)二次渦在整個(gè)彎曲段的發(fā)展機(jī)理,分別研究了曲率比Cr、面積比Ar和雷諾數(shù)Re對(duì)二次渦發(fā)生發(fā)展的影響,并建立了一種準(zhǔn)確判讀渦核位置的方法,然后對(duì)比了三種分析De不穩(wěn)定流的方法判讀不同De渦的優(yōu)勢(shì),統(tǒng)計(jì)分析了不同條件下不穩(wěn)定渦發(fā)生情況。結(jié)果表明：變曲率流道出現(xiàn)基本渦、角渦、曲率渦和分離渦外還有一種新渦-卷吸渦；曲率比影響渦相關(guān)物理量的大小,而面積比影響到渦的結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理；雷諾數(shù)影響具有無量綱相似規(guī)律,但是當(dāng)雷諾數(shù)減小到一定程度會(huì)引起De不穩(wěn)定現(xiàn)象；軸向速度的徑向梯度有利于判定分離渦,而壁面壓力梯度則更適合判定曲率渦。(4)利用高速攝影技術(shù)(HSV)研究了不同屬性顆粒在變曲率彎管內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律,基于Fortran語言開發(fā)了一套處理顆粒軌跡的程序?qū)︻w粒隨機(jī)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。首次采用離散單元法(DEM)和CFD耦合技術(shù)研究顆粒在變曲率流道內(nèi)的流動(dòng),并與PIV試驗(yàn)和HSV試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,分別驗(yàn)證了網(wǎng)格類型、湍流模型、顆粒受力模型和曳力模型等對(duì)DEM-CFD耦合模擬的影響,基于該方法并結(jié)合HSV試驗(yàn)研究了顆粒屬性、曲率比Cr、面積比Ar和雷諾數(shù)Re對(duì)單顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響,然后對(duì)變曲率流道的稀相固液兩相水力輸送也進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了概率統(tǒng)計(jì)分析。研究結(jié)果表明：體網(wǎng)格對(duì)CFD-DEM耦合具有網(wǎng)格單元數(shù)量少的優(yōu)勢(shì)；湍流模型對(duì)顆粒軌跡和速度分布影響不大,但是對(duì)顆�；扑俣群统两邓俣扔绊戄^大；流體對(duì)大顆粒的作用力可以主要考慮曳力和壓力梯度力的影響；雙向耦合時(shí)Gidaspow曳力模型與HSV試驗(yàn)接近,而單向耦合時(shí)Schiller-Nanumann曳力模型較好；相比曲率比Cr,面積比Ar對(duì)顆粒影響較大,而無論是單顆粒還是稀相多顆粒,雷諾數(shù)對(duì)顆粒的影響表現(xiàn)出無量綱相似性,可以用來初步判斷發(fā)生De不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象。(5)在大型脫硫泵中首次應(yīng)用CFD-DEM耦合方法研究固液兩相流動(dòng),同時(shí)在脫硫泵研究中引進(jìn)體網(wǎng)格技術(shù)和管道的二次流分析方法,分析了脫硫泵葉輪和蝸殼內(nèi)的主流和二次流,并對(duì)比研究了顆粒的屬性、脫硫泵的流量和轉(zhuǎn)速對(duì)脫硫泵內(nèi)顆粒流動(dòng)的影響。結(jié)果表明：引進(jìn)體網(wǎng)格技術(shù)使得大型脫硫泵內(nèi)應(yīng)用DEM方法得以實(shí)現(xiàn),節(jié)約了大量的計(jì)算時(shí)間；脫硫泵內(nèi)各種流道的主流和二次流分布較復(fù)雜,無量綱規(guī)律不明顯；對(duì)斷面顆粒在仿真時(shí)間內(nèi)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明顆粒的密度和直徑影響具有相似性,其本質(zhì)影響是顆粒的質(zhì)量；顆粒的分布與斷面二次流有關(guān)；顆粒隨泵流量和轉(zhuǎn)速的變化而變化,在不同轉(zhuǎn)速的相似工況下顆粒也呈現(xiàn)出相似分布。本文對(duì)變曲率流道內(nèi)固液兩相的CFD-DEM研究,為大型脫硫的設(shè)計(jì)提供了參考和指導(dǎo)。
【圖文】：

Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｉｍｐｅｌｌｅｒ邋ｆａｉｌｕｒｅ邋ｂｅｃａｕｓｅ邋ｏｆ邋ｗｅａｒ逡逑兩相流的研究現(xiàn)狀逡逑應(yīng)用領(lǐng)域較廣，研究文獻(xiàn)較多�？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)外本集中在Ｗ下四個(gè)方面；（１）索內(nèi)固液兩相規(guī)律及其對(duì)連續(xù)相的影響兩方面；（２）固相相引起的揚(yáng)程降和效率降；（３）磨損機(jī)理的法；（４）基于固液兩相的設(shè)計(jì)方法，改善依賴

Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｉｍｐｅｌｌｅｒ邋ｆａｉｌｕｒｅ邋ｂｅｃａｕｓｅ邋ｏｆ邋ｗｅａｒ逡逑兩相流的研究現(xiàn)狀逡逑應(yīng)用領(lǐng)域較廣，研究文獻(xiàn)較多�？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)外本集中在Ｗ下四個(gè)方面；（１）索內(nèi)固液兩相規(guī)律及其對(duì)連續(xù)相的影響兩方面；（２）固相相引起的揚(yáng)程降和效率降；（３）磨損機(jī)理的法；（４）基于固液兩相的設(shè)計(jì)方法，改善依賴
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：X773

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本文編號(hào)：2692965