【摘要】：本文的研究是在國家科技支撐計劃項目“典型離心泵關鍵技術研究及工程示范應用”(No. 2011BAF14B00)和江蘇省科技支撐(工業(yè))計劃項目“火電廠大型系列煙氣脫硫吸收塔循環(huán)泵關鍵技術開發(fā)與應用”(No. BE2011141)的資助下開展的。脫硫泵是煙氣脫硫裝置的核心設備,由于其輸送介質中含有石灰石等固體顆粒,存在磨損和效率低等關鍵技術問題。為了更好地了解兩相流泵的內部流動問題,本文對兩相流泵常用的葉片型線進行深入研究,結合管道分析方法研究葉片型線的變曲率對固液兩相流動的影響,分別借助粒子圖像測試技術(P1V)、數值模擬技術(CFD)、高速攝像技術(HSV)和離散單元法(DEM)等研究了不同形式的變曲率流道內固液兩相的流動,并把部分研究成果應用于大型脫硫泵中,為大型脫硫泵的關鍵技術設計提供理論依據。本文研究的主要工作和創(chuàng)造性成果如下：(1)總結了固液兩相流泵的研究現狀,發(fā)現改善泵內固液兩相流動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值模擬研究現狀,介紹了在巖土力學方面應用的離散單元法(DEM),建議在固液兩相流泵應用領域內引進先進的DEM方法；對旋轉機械內部流動研究現狀進行了總結,發(fā)現旋轉與曲率是影響葉輪內部流動的主要兩個因素,提出參照渦輪機、壓縮機等對葉輪內各種彎曲流道進行簡化對比研究,選取影響因素之一的曲率作為本文重點研究對象。(2)首次結合固液兩相流泵的葉片型線和管道設計方法,深入研究葉片型線的變曲率流道對固液兩相流動的影響。基于解析幾何方法分別設計了三種葉片型線：雙圓弧線、變角螺旋線和漸開線,對比了三種型線的曲率比和安放角規(guī)律；利用PIV技術分別測試了三種變曲率流道內沿主流方向的瞬時速度,并對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。結果表明：三種型線由于曲率比的不同使得各個物理量的分布規(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,而雙圓弧內各物理量的分布與另外兩個型線存在差異,主要表現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二次渦在整個彎曲段的發(fā)展機理,分別研究了曲率比Cr、面積比Ar和雷諾數Re對二次渦發(fā)生發(fā)展的影響,并建立了一種準確判讀渦核位置的方法,然后對比了三種分析De不穩(wěn)定流的方法判讀不同De渦的優(yōu)勢,統(tǒng)計分析了不同條件下不穩(wěn)定渦發(fā)生情況。結果表明：變曲率流道出現基本渦、角渦、曲率渦和分離渦外還有一種新渦-卷吸渦；曲率比影響渦相關物理量的大小,而面積比影響到渦的結構和形成機理；雷諾數影響具有無量綱相似規(guī)律,但是當雷諾數減小到一定程度會引起De不穩(wěn)定現象；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(HSV)研究了不同屬性顆粒在變曲率彎管內的流動規(guī)律,基于Fortran語言開發(fā)了一套處理顆粒軌跡的程序對顆粒隨機結果進行了統(tǒng)計分析。首次采用離散單元法(DEM)和CFD耦合技術研究顆粒在變曲率流道內的流動,并與PIV試驗和HSV試驗結果進行對比,分別驗證了網格類型、湍流模型、顆粒受力模型和曳力模型等對DEM-CFD耦合模擬的影響,基于該方法并結合HSV試驗研究了顆粒屬性、曲率比Cr、面積比Ar和雷諾數Re對單顆粒運動規(guī)律的影響,然后對變曲率流道的稀相固液兩相水力輸送也進行了數值模擬,并對仿真結果進行了概率統(tǒng)計分析。研究結果表明：體網格對CFD-DEM耦合具有網格單元數量少的優(yōu)勢；湍流模型對顆粒軌跡和速度分布影響不大,但是對顆�；扑俣群统两邓俣扔绊戄^大；流體對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Gidaspow曳力模型與HSV試驗接近,而單向耦合時Schiller-Nanumann曳力模型較好；相比曲率比Cr,面積比Ar對顆粒影響較大,而無論是單顆粒還是稀相多顆粒,雷諾數對顆粒的影響表現出無量綱相似性,可以用來初步判斷發(fā)生De不穩(wěn)定流動現象。(5)在大型脫硫泵中首次應用CFD-DEM耦合方法研究固液兩相流動,同時在脫硫泵研究中引進體網格技術和管道的二次流分析方法,分析了脫硫泵葉輪和蝸殼內的主流和二次流,并對比研究了顆粒的屬性、脫硫泵的流量和轉速對脫硫泵內顆粒流動的影響。結果表明：引進體網格技術使得大型脫硫泵內應用DEM方法得以實現,節(jié)約了大量的計算時間；脫硫泵內各種流道的主流和二次流分布較復雜,無量綱規(guī)律不明顯；對斷面顆粒在仿真時間內的統(tǒng)計結果表明顆粒的密度和直徑影響具有相似性,其本質影響是顆粒的質量；顆粒的分布與斷面二次流有關；顆粒隨泵流量和轉速的變化而變化,在不同轉速的相似工況下顆粒也呈現出相似分布。本文對變曲率流道內固液兩相的CFD-DEM研究,為大型脫硫的設計提供了參考和指導。
【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狀逡逑應用領域較廣，研究文獻較多。總結國內外本集中在Ｗ下四個方面；（１）索內固液兩相規(guī)律及其對連續(xù)相的影響兩方面；（２）固相相引起的揚程降和效率降；（３）磨損機理的法；（４）基于固液兩相的設計方法，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狀逡逑應用領域較廣，研究文獻較多�？偨Y國內外本集中在Ｗ下四個方面；（１）索內固液兩相規(guī)律及其對連續(xù)相的影響兩方面；（２）固相相引起的揚程降和效率降；（３）磨損機理的法；（４）基于固液兩相的設計方法，改善依賴
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：X773

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本文編號：2692965