摘要 摘要 本文主要研究了含柔性固體物料的兩相流動(dòng)，建立了其兩相流動(dòng)方程；研究 了泵送兩相流體時(shí)的性能變化的原因，并給出了預(yù)測(cè)性能變化的方法；從理論和 試驗(yàn)兩個(gè)方面研究了前伸式雙葉片污水泵的設(shè)計(jì)和性能特點(diǎn)，并對(duì)該型泵葉輪內(nèi) 的固液兩相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。所做的創(chuàng)新性工作和得到的結(jié)論如下： ( 1 ) 由于柔性物料與剛性固體不同，不但可以平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，還會(huì)變形，因此 分析其在液體中流動(dòng)的難度增加。本文在簡(jiǎn)單介紹顆粒性固體物料兩相流動(dòng)方程 后，采用拉格朗日法分析物體運(yùn)動(dòng)中的變形，給出了變形判別數(shù)g ，得出了對(duì)于 柔性固體物料，變形判別數(shù)g 0 ；在此基礎(chǔ)上，建立了其考慮時(shí)間和空間效應(yīng)的 一般性本構(gòu)方程，并討論了不同的本構(gòu)方程的近似；給出了兩流體模型的含柔性 固體物料的兩相流動(dòng)瞬時(shí)局部方程?；隗w積平均法，分析了應(yīng)力張量和界面動(dòng) 量的傳遞，并對(duì)系數(shù)的選取進(jìn)行了討論，對(duì)稀相柔性固體物料的兩相流動(dòng)，忽略 其碰撞項(xiàng)，建立了兩相湍動(dòng)方程，為稀相柔性固體物料的兩相流動(dòng)分析計(jì)算提供 了理論基礎(chǔ)和計(jì)算模型。 ( 2 ) 為了探討泵在輸送固液兩相流體時(shí)的性能變化，從葉輪內(nèi)部流動(dòng)分析的 角度，分析了固體在葉輪中的受力情況和流動(dòng)速度等，并通過對(duì)不同密度下的葉 輪內(nèi)兩相流動(dòng)速度三角形分析，指出無論是成 p ，還是島 p r 時(shí)，固體相的圓 周速度均小于液體相的圓周速度。因此，當(dāng)泵輸送兩相流體時(shí)，相同流量下泵的 揚(yáng)程低于輸送單相液體時(shí)的揚(yáng)程。 ( 3 ) 收集了所能找到的相關(guān)文獻(xiàn)中所有的泵在輸送固液兩相介質(zhì)時(shí)的性能， 根據(jù)這些數(shù)據(jù)，應(yīng)用多元線性回歸分析的方法得出了揚(yáng)程降的公式。為了確定得 到的公式精度，將根據(jù)得到的公式進(jìn)行預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)值和各試驗(yàn)值、其他公式的預(yù) 測(cè)值進(jìn)行比較，結(jié)果表明本文計(jì)算公式的總體精度要高于其他計(jì)算公式的精度。 且從公式的形式上來說，與以往的計(jì)算公式不同，在公式中考慮了葉輪的典型特 征。 ( 4 ) 討論了泵在輸送兩相流體時(shí)的功率、效率變化情況，推薦了計(jì)算功率、 江蘇大學(xué)博士學(xué)位論文：含柔性固體的兩相流動(dòng)及前伸式雙葉片污水泵研究 效率變化的公式。 ( 5 ) 基于一元理論，研究了前伸式雙葉片污水泵的水力設(shè)計(jì)，指出在雙葉片 條件下，滑移系數(shù)大大增加，因而其出口直徑和葉片寬度應(yīng)在一般離心泵的基礎(chǔ) 上稍微加大。指出在葉片型線設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意葉片前后蓋板流線的包角差值和 葉片前后蓋板流線沖角的大小。對(duì)于蝸殼的水力設(shè)計(jì)，指出基圓直徑應(yīng)比一般離 心泵的要大，喉部面積也宜相應(yīng)加大。結(jié)合一個(gè)具體的實(shí)例，說明該型泵的設(shè)計(jì) 方法和特點(diǎn)，并在同樣的葉輪軸面圖情況下，分別設(shè)計(jì)了葉片型線不同的兩個(gè)葉 輪。 ( 6 ) 結(jié)合c f d 軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的兩個(gè)葉輪進(jìn)行了流動(dòng)模擬。在流場(chǎng)求解的過程 中，采用標(biāo)準(zhǔn)k 一占模型、s i m p l e 算法、壁面函數(shù)等方法。分析了流場(chǎng)計(jì)算的結(jié) 果，在流場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行了葉輪揚(yáng)程和水力效率的預(yù)測(cè)。 ( 7 ) 對(duì)設(shè)計(jì)的兩個(gè)不同葉輪進(jìn)行了水力性能試驗(yàn)和通過性能試驗(yàn)，得到了兩 個(gè)葉輪及三次切割進(jìn)口邊后的揚(yáng)程、效率、功率曲線和兩個(gè)葉輪及第3 次切割進(jìn) 口邊后的固體顆粒、纖維的通過性能情況。水力性能試驗(yàn)結(jié)果表明：兩種設(shè)計(jì)在 規(guī)定點(diǎn)的性能參數(shù)均超過j b t 8 8 5 7 - 1 9 9 9 離心式污水潛水電泵型式與基本參數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)的要求，其中一個(gè)葉輪對(duì)應(yīng)的泵效率已經(jīng)十分接近一般清水泵。但是兩個(gè)不 同的葉輪對(duì)應(yīng)的泵相比，同樣的軸面幾何參數(shù)，不同的葉片型線，效率差別顯著。 葉片進(jìn)口邊切割的試驗(yàn)表明：葉片后蓋板流線前伸，對(duì)葉輪的水力性能影響不大。 通過性試驗(yàn)表明：前伸式雙葉片結(jié)構(gòu)可以提高葉輪的固體顆粒通過能力和抗纏繞 能力。 ( 8 ) c f d 計(jì)算的結(jié)果和實(shí)際結(jié)果相比，c f d 計(jì)算的結(jié)果要偏高，但是在同一 葉輪的揚(yáng)程和效率曲線的趨勢(shì)上，在不同葉輪性能的對(duì)比上，c f d 計(jì)算的結(jié)果是可 信的，與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，因此c f d 技術(shù)可以作為葉輪優(yōu)化水力設(shè)計(jì)的一個(gè)有 力工具。 ( 9 ) 通過分析，得出前伸式雙葉片污水泵具有好的通過性能的原因在于： 兩葉片結(jié)構(gòu)葉輪使得其固體顆粒通過能力優(yōu)于一般污水泵。葉片前伸，可以稍 微提高葉輪進(jìn)口處中心的壓力，可以使葉輪進(jìn)口處中心區(qū)域湍動(dòng)也比周圍區(qū)域要 強(qiáng)烈，這兩個(gè)原因使得葉片的抗纏繞能力提高。葉輪葉片進(jìn)口邊與葉輪前后蓋 摘要 板的夾角發(fā)生變化，與一般葉輪有顯著的區(qū)別，鈍角不易形成流掛，因此前伸式 雙葉片表現(xiàn)出更好的抗纏繞能力。 ( 1 0 ) 選擇混合模型對(duì)前伸式雙葉片污水泵進(jìn)行了兩相流動(dòng)計(jì)算。計(jì)算過程 中為了更好地得出流動(dòng)變化的情況，采用了網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)。計(jì)算時(shí)邊界條件定 義為：速度進(jìn)口和自由出流出口；對(duì)于固體壁面邊界，液體相壁面處默認(rèn)為無滑 移邊界條件，固體相給出了速度變化的公式。計(jì)算得到了兩相混合物的壓力分布、 液體和固體相流動(dòng)速度分布、液體和固體相湍動(dòng)能分布以及固體相的流動(dòng)軌跡。 與單相液體的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果比較表明，在輸送兩相流體時(shí)地?fù)P程要低于輸送單相 流體時(shí)的揚(yáng)程；在葉輪進(jìn)口輪轂處，湍動(dòng)最為激烈，纖維性物料在這里難于形成 流掛，有利于纖維性物料的通過。 關(guān)鍵詞：柔性固體物料，變形，兩相流動(dòng)方程，揚(yáng)程降，前伸式雙葉片污水泵， 水力設(shè)計(jì)，通過性能，數(shù)值模擬 a b s t r a c t a bs t r a c t t h ed e f o r m a b l es o l i dt w o - p h a s ef l o w , t h ep e r f o r m a n c ec h a n g e so fs e w a g ep u m p d e l i v e r i n g s o l i dt w o p h a s ef l u i d ，t h e d e s i g na n dp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c o f f o r w a r d - e x t e n d e dd o u b l eb l a d es e w a g ep u m pw e r es t u d i e di nt h i sp a p e nb yu s i n go f l a g r a n g em e t h o d ，i ta n a l y z e dd e f o r m a b i l i t yo fd e f o r m a b l es o l i da n dg a v eo u tt h e g e n e r a lc o n s t i t u t i v ee q u a t i o no fd e f o r m a b l es o l i d t h et u r b u l e n te q u a t i o n sf o rs p a r s e d e f o r m a b l es o l i dt w o p h a s ef l o ww e r ed e v e l o p e d a n a l y z i n ge x p e r i m e n td a t af r o m a l m o s ta l lr e l a t e dp u b l i cl i t e r a t u r e s ，i tg a v eo u tt h ef o r m u l a t i o nt op r e d i c t i o nt h e p e r f o r m a n c ec h a n g eo fs e w a g ep u m pd e l i v e r i n gs o l i dt w o - p h a s ef l u i d i ta l s os t u d i e d t h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i co ff o r w a r de x t e n d e dd o u b l eb l a d es e w a g ep u m pa n di t s h y d r a u l i cd e s i g ni nt h ev i e wo ft h e o r ya n de x p e r i m e n t f i n a l l yt h et w o p h a s ef l o w w i t h i nt h ei m p e l l e ro ff o r w a r d - e x t e n d e dd o u b l eb l a d es e w a g ep u m pw a ss t i m u l a t e d t h e m a i nw o r k sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h em a i nd i f f e r e n c eb e t w e e nd e f o r m a b l es o l i da n do t h e rs o l i di st h a ti tn o to n l y m o v e s ，b u ta l s od e f o r m sw h i l ef l o w i n g s oi ti sd i f f i c u l tt od e s c r i b ei t sm o v e m e n t a f t e r s i m p l yi n t r o d u c i n gt h ee q u a t i o n so fp a r t i c l es o l i dt w o p h a s ef l o w , t h ep a p e rf o c u s e do n t h ed e f o r m a b l es o l i dt w o - p h a s ef l o w b yu s i n go fl a g r a n g em e t h o d ，t h ep a p e ra n a l y z e d d e f o r m a b i l i t yo fd e f o r m a b l es o l i da n dg a v eo u tt h ed i f f e r e n t i a t i n gn u m b e r t h e g e n e r a lc o n s t i t u t i v ee q u a t i o no fd e f o r m a b l es o l i dc o n s i d e r i n gt i m ee f f e c ta n ds p a t i a l e f f e c tw a sd e v e l o p e d ，t h e ni t s a p p r o x i m a t ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o nw a sd i s c u s s e d t r a n s i e n tl o c a le q u a t i o n sf o rd e f o r m a b l es o l i dt w o p h a s ef l o wb a s e do nt w o f l u i dm o d e l w e r ed e v e l o p e d n e g l e c t i n gc o l l i s i o ni t e m ，a n a l y z i n gt h es t r e s sa n dt h em o m e n t u m t r a n s f e ro ft h ei n t e r f a c e ，t h ev o l u m ea v e r a g i n gt u r b u l e n te q u a t i o n sf o rs p a r s ed e f o r m a b l e s o l i dt w o p h a s ef l o ww a sg i v e no u tw h i c hc a nb ea p p l i e dt on u m e r i c a ls t i m u l a t i o no f t h i st y p eo ft w o p h a s ef l o w ( 2 ) f o rt h ep u r p o s eo fs t u d y i n gt h ep e r f o r m a n c ec h a n g eo fp u m pd e l i v e r i n gs o l i d t w o - p h a s ef l o w , t h ev e l o c i t ya n ds t r e s so ft w o p h a s ef l o ww i t h i ni m p e l l e rw e r ea n a l y z e d i tc o n c l u d e dt h a tw h e t h e rt h ed e n s i t yo fs o l i di sl a r g e rt h a nl i q u i do rn o t ，v , , o fs o l i d p h a s ei ss m a l l e rt h a nt h a to fl i q u i dp h a s e ，a n dt h et o t a lh e a do fp u m pw h e nd e l i v e r i n g t w o - p h a s e f l o wi ss m a l l e rt h a tw h e nd e l i v e r i n gs i n g l el i q u i dp h a s ea tt h es a m ef l o wr a t e ( 3 ) t h ed a t ac o n c e r n e dw i t hp e r f o r m a n c ec h a n g e so fp u m pd e l i v e r i n gs o l i d v 江蘇大學(xué)博士學(xué)位論文：含柔性固體的兩相流動(dòng)及前伸式雙葉片污水泵研究 t w o p h a s ef l u i df r o ma l m o s ta l lt h ep u b l i cl i t e r a t m e sw a sc o n c e n t r a t e d a c c o r d 噸t ot h e d a t a , t h ef o r m d a t i o no nt h eh e a dr e d u c eo fp m pd e l i v e r i n gs o l i dt w o - p h a s e 刪 d e v e l o p e db yr u i n gm d 邱l ev a r i a b l el i n e a rr e g r e s s i v em e t h o d t h ed i f f e r e n c eb e t w e e n t h ef o r m d a t i o na n do t h e r si st h a ti tc o n s i d e r st h ee f f e c to fp m p t y p i c a lc o n f i g u r a t i o n m c a l c u l a t i o nr e s u l t so ft h ef o r m d a t i o na n do t h e rf o r m d a t i o n s ，t h et e s tr e s d t sw e r e c o m p a r e d i ti l l u s t r a t e st h a tt h ef o r m u l a t i o no ft h i sp a p e ri sm o r ea c c u r a t et h a no t h e r s ( 4 ) mp o w e ra n de f f i c i e n c yc h a n g eo fp u m pd e l i v e r i n gs o l i dt w o - p h a s ef i r e d w e r ed i 翻：i 塢9 e d f o r m d a t i o mf o rp r e d i c t i n gt h ep o w e ra n de f f i c i e n c yc h a n g ew e r e r e c o m m e n d e d ( 5 ) b a s e do nt h e 0 1 1 ed i m e m i o nt h e o r y , i ts t u d i e dt h eh y d r a u l i cd e s i g no f f o r w a r d e x t e n d e dd o u b l eb l a d es e w a g ep u m p i nt h ec 勰eo fd o u b l eb l a d e s ，t h es l i p p i n g c o e f f i c i e n to fi m p e l l e ri sm u c hl a r g e rt h a ng e n e r a lc e n t r i f u g a li m p e l l e r s ot h ed i a m e t e r a n db r e a d t ho fi m p e l l e rs h o d db ea u g m e n t e d a t t e n t i o ns h o u l db ep a i dt ot h ed e f e r e n c e o fw r e a t h i n ga n g l ea n ds t a g g e ra n g l eb e t w e e nt h et w os t r e a m l i n e so fb a c ks h r o u da n d f o r w a r ds h r o u d a sf o r t h eh y d r a u l i cd e s i g no fv o l u t e ，i t sb a s i cc i r c l ea n d 卸a r e am a y b el a r g e rt h a no t h e r s a s 鋤e x a m p l e ，t w od i f f e r e n th y d r a d i cd e s i g n so ft h i sk i n do f i m p e l l e rw i t ht h e $ 1 1 1 1 1 ea x i a ls e c t i o na n dd i f f e r e n ts t r e a m l i n e so fb l a d ef o rt h es 珊e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sw e r eg i v e no u tt os h o wt h es p e c i a l t yo fi t sd e s i g n ( dt h ef l o w w i t l l i nt h et w od e s i g n e di m p e l l e r 硼s t i m d a t e d 、) l r i t l ls t a n d a r d k 一占m o d e l ，s i m p l ea r i t h m e t i ca n ds t a n d a r dw e l lf u n c t i o n a n a l y z i n gt h es i m d a t i o n r e s d t ，t h eh e a da n de f f i c i e n c yo fi m p e l l e rw e r ep r e d i c t e d b y t h et e s to fh y d r a u l i cp e r f o r m a n c ea n dt h ep a s s a g ec a p a c i t y , t h ep e r f o r m a n c e c i l l v e $ ( h e a d ，e f f i c i e n c ya n dp o w e rc u r v e ) ，t h ec a p a c i t yo fp a r t i c l es o l i da n df i b e ro ft h e t w od i f f e r e n ti m p e l l e ra n di m p e l l e ro fw h i c ht h eb l a d ei n l e te v e i lt i l r e et i m e si n c i s e d w e r eg a i n e d ，1 1 kh y d r a u l i ct e s ts h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft w od i f f e r e n ti m p e l l e r s m e e tt h er e q u i r e m e n t so fs t a n d a r d 肛坍【 8 8 5 7 1 9 9 9 ( c e n t r i f u g a ls e w a g es u b m e r s i b l e p m p m o d e la n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ) ) ，t h ee f f i c i e n c yo f0 1 1 eo ft h e mi sv e r yd o s e t o g e n e r a lw a t e rp u m p b u tt h ee f f i c i e n c yo ft w oi m p l i e si so b v i o u s l yd i f f e r e n t , f o r w a r de x t e n d i n gi n l e to fb l a d eh a sl i t t l ei n f l u e n c eo i lt h eh y & a d i ep e r f o r m a n c e t h e p a s s a g ec a p a c i t yt e s ts h o w st h a ti m p e l l e r 、加t hd o u b l ef o r w a r d - e x t e n d e db l a d e sf e a t u r e s b e t t e rc a p a b i l i t yf o rp a r t i c l es o l i dt op a s sa n db e t t e ra n t i w i n d i n ga b i l i t y ( 8 ) c o m p a r e dt h er e s u l to fn n m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ef l o ww i t l 血i m p e l l e r 而t l lt h e t e s tr e s u l t , i tc o n c l 伽l e dt h a tt h er e s e to fn u m e r i c a ls i m d a t i o ni s9 d j n eh i g h e r , b mt h eb o t h a b s t r a c t a r ec o n s i s t e n ti nt h ev i e wo fc h a n g i n gt r e n do fp e r f o r m a n c ec u r v ef o r t h es a m ei m p e l l e r a n dt h ec o m p a r eo ft h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n ti m p e l l e r s on u m e r i c a ls i m u l a t i o ni s r e l i a b l et os o m ee x t e n t , a n di sh e l p f u lf o ro p t i m i z i n gh y d r a u l i cd e s i g no fp u m p ( 9 ) t h er e a s o n sf o rb e a e rp a s s a g ec a p a b i l i t yo ff o r w a r d - e x t e n d e dd o u b l eb l a d e s e w a g ep u m pa r et h a t ：( a ) 稍md o u b l eb l a d e s ，t h el a r g e rt u n n e lo fi m p e l l e ra v a i lf o r p a r t i c l es o l i dt op a s st h r o u g h ( b ) f o r w a r de x t e n d i n gb l a d ec a ns l i g h f l ye n h a n c et h e c e n t e rp r e s s u r ea n dt u r b u l e n c eo fi m p e l l e ri n l e t t h e nt h e a n t i - w i n d i n ga b i l i t yi s i m p r o v e d ( c ) t h ea n g l eb e t w e e nt h ei n l e to fb l a d ea n ds h r o u di so b v i o u s l yd i f f e r e n t f r o mo t h e rc e n t r i f u g a li m p e l l e r , w h i c he n h a n c ei t sa n t i w i n d i n ga b i l i t y ( 1 0 )s i m u l a t i n g t h e s o l i d l i q u i dt w o p h a s e f l o ww i t h i nt h ed o u b l e f o r w a r d e x t e n d e dd o u b l eb l a d ei m p e l l e r w i t hm i x t u r em o d e l f o rb e t t e r i n gc a l c u l a t i o n ， s e l f - a d a p t i n gt e c h n o l o g yw a su s e d 。t h eb o u n d a r yc o n d t i o nd e f i n e da sf o l l o w i n g ： v e l o c i t yi n l e ta n do u t f l o w , n o r s l i pw e l lb o u n d a r yf o rl i q u i dp h a s eb u tv e l o c i t y f o r m u l a t i o nc o m i n gf r o ml i t e r a t u r e sc o n c e m e dw e l lb o u n d a r yf o rs o l i dp h a s e t h e p r e s s u r ed i s t r i b u t i o no ft h em i x t u r e ，t h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n dt h et u r b u l e n tk i n e t i c e n e r g yd i s t r i b u t i o no fl i q u i dp h a s ea n ds o l i dp h a s e ，t h et r a c ko fs o l i dp h a s ef l o ww e r e g i v e no u t t h ec a l c u l a t i n gr e s u l ts h o w st h a tt h et o t a lh e a do ff o r w a r d e x t e n d e dd o u b l e b l a d es e w a g ep u m pd e l i v e r i n gt h em i x t u r eo fs o l i d l i q u i dt w op h a s ei sl o w e rt h a n d e l i v e r i n gl i q u i ds i n g l ep h a s e ，t h et u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yi nt h ev i c i n i t yo fi n l e th u bo f i m p e l l e ri sl a r g ew h i c hi sh e l p f u lf o rf i b e rt op a s st h ei m p e l l e r k e yw o r d s ：d e f o r m a b l es o l i d ，d e f o r m a t i o n ，t w o p h a s ef l o we q u a t i o n ，p e r f o r m a n c c h a n g e ，f o r w a r d e x t e n d e d d o u b l eb l a d ei m p e l l e r , h y d r a u l i cd e s i g n ， p a s s a g ec a p a c i t y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n v 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)江蘇大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部 內(nèi)容或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃 描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。 不保密豳。 學(xué)位論文作者簽名：糾之 瀘年易只| 乙日 指導(dǎo)教師簽名： 加莎年b 刖b 日 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú) 立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的內(nèi)容以外，本論 文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文 的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本 人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文儲(chǔ)繇列乜 日期：2 0 0 8 年6 月1 2 日 第1 章緒論 第1 章緒論 1 1泵內(nèi)固液兩相流動(dòng)及國(guó)內(nèi)外的研究狀況 1 1 1固液兩相流動(dòng)理論的研究概況 兩相流動(dòng)是在流動(dòng)系統(tǒng)中存在著兩相或者兩組分問的動(dòng)態(tài)相互作用的流動(dòng)， 兩相間有質(zhì)量和能量的傳遞，也可能伴隨著化學(xué)反應(yīng)。與單相流動(dòng)相比，兩相流 動(dòng)要復(fù)雜得多，一方面由于兩相流每相各有一組流動(dòng)參數(shù)，描述運(yùn)動(dòng)的變量幾乎 增加一倍，另一方面在于各相的體積濃度、分散相顆粒的大小、各相的物理性質(zhì) ( 密度、粘度等) 及相間的相對(duì)速度都可以在很大范圍內(nèi)變化，這些都可以引起 流動(dòng)性質(zhì)和流動(dòng)形態(tài)的變化。因此，不同類型的流動(dòng)必須用不同的方法處理，這 也增加了兩相流動(dòng)理論的難度。此外，兩相流動(dòng)的關(guān)鍵，也是最困難的問題還在 于相間界面的存在，各相運(yùn)動(dòng)參數(shù)在界面上發(fā)生跳躍，通過界面各相間進(jìn)行質(zhì)量、 動(dòng)量、能量的傳遞。 兩相流動(dòng)涉及的范圍非常廣泛，具體對(duì)固液兩相流動(dòng)來說，理論也是多種多 樣的。從對(duì)流體中單顆粒運(yùn)動(dòng)的描述到高濃度顆粒的流化床理論，甚至到顆粒碰 撞作用占優(yōu)勢(shì)的顆粒流和多孔介質(zhì)理論等，都屬于固液兩相流動(dòng)理論的范疇。通 過多年來的努力，固液兩相流動(dòng)的理論已經(jīng)初步建立并在不斷的完善。 對(duì)于顆粒性的兩相流動(dòng)，不管是稀疏還是稠密顆粒相，不管是顆粒之間有否 碰撞，理論上研究的成果都很多。關(guān)于稀疏顆粒的兩相流動(dòng)的研究成果，有兩個(gè) 很好的例子，一個(gè)是t c h e n 的關(guān)于小顆粒在均勻湍流中運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散的理論，另一個(gè) 是e i n s t e i n 的有效粘性理論，詳細(xì)的內(nèi)容可見h a p p l e 等1 1 1 、b a t c h l o r t 2 1 、l e a l1 3 1 的論 述。對(duì)于稠密顆粒相，顆粒之間的碰撞是經(jīng)常發(fā)生的，顆粒的運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的微觀 運(yùn)動(dòng)，這方面早期的理論有j a c k s o n l 4 、m u r r y l 5 1 等的著作，8 0 年代o g a w a t 6 】1 、 h o m s y l 7 1 等人的論述，以及近年來王長(zhǎng)安1 9 1 的研究等。多孔介質(zhì)理論也可以看作一 種兩相流動(dòng)理論，這個(gè)理論開始于d a r c y ( 1 8 5 6 ) ，隨后從各個(gè)不同的角度得到了發(fā) 展，其理論可以參考s c h e i d e g e r 的相關(guān)文獻(xiàn)。 兩相流系統(tǒng)可以采用宏觀和微觀兩種方法來進(jìn)行研究，相應(yīng)的理論分別叫做 兩相流的連續(xù)介質(zhì)模型和微觀運(yùn)動(dòng)模型。而兩相流理論創(chuàng)立至今主要采用宏觀的 江蘇大學(xué)博士學(xué)位論文：含柔性固體的兩相流動(dòng)及前伸式雙葉片污水泵研究 方法，宏觀的連續(xù)介質(zhì)模型又可以分為三類：( 1 ) 分流模型，主要用來描述分層 流動(dòng)和環(huán)狀流等有明顯的分界面的流動(dòng)。( 2 ) 兩相流體模型，把兩相流體中的各 相都假設(shè)為連續(xù)介質(zhì)，它們同時(shí)充滿整個(gè)流場(chǎng)，各相流動(dòng)參數(shù)在相交界面上發(fā)生 間斷，通過相界面各相產(chǎn)生質(zhì)量和能量的傳遞。( 3 ) 擴(kuò)散模型，也就是單流體模 型，均勻流是其特例，其方法是假定相互作用的兩相構(gòu)成了一種新的流體且連續(xù) 充滿整個(gè)流場(chǎng)，對(duì)混合物以一種參數(shù)進(jìn)行描述，相間的參數(shù)用擴(kuò)散方程進(jìn)行聯(lián)系。 兩相流的微觀方法的運(yùn)動(dòng)模型，相應(yīng)于單相流動(dòng)時(shí)的氣體分子運(yùn)動(dòng)論，把固體相 的一個(gè)個(gè)顆?？闯墒穷愃朴跉怏w分子運(yùn)動(dòng)論中的相應(yīng)的分子，用b o l t z m a n n 方程描 述；對(duì)流體相可以有兩種不同的考慮，即用分子或者連續(xù)介質(zhì)模型描述。 運(yùn)動(dòng)模型從微觀方面入手，可以給出流動(dòng)最詳細(xì)的細(xì)節(jié)，但是物理和數(shù)學(xué)上 的描述更為困難，對(duì)連續(xù)介質(zhì)模型來說，盡管連續(xù)介質(zhì)只是一種假設(shè)，但是實(shí)踐 證明在很多的工程應(yīng)用上是有效和可靠的。 兩相流理論系統(tǒng)的發(fā)展，始于2 0 世紀(jì)5 0 年代，在兩流體模型方面比較有影 響的文獻(xiàn)有：m a r b l e 1 2 1 、b u y e v i c h 和s h c h e l c h o v a 1 3 1 、d o b r a n 1 4 a h m a d i 1 5 1 、f a n 1 6 】 等，擴(kuò)散模型比較有影響的有文獻(xiàn)有：t r i p d e l l 17 1 、n u n z i a t o 1 引、m c t i g u e 1 9 1 、 a t k i n 2 0 1 等。兩流體模型湍流方程，不同研究者采取了不同平均方法，這些方法有： 統(tǒng)計(jì)平均法、體積平均法、時(shí)間空間結(jié)合的平均法、廣義函數(shù)法、雷諾平均法等， 各種平均方法雖然差別很大，但是得到的平均方程有許多共同的地方或者基本一 致。 1 1 2 固液兩相流泵的研究概況 ( 1 ) 固液兩相流泵簡(jiǎn)介 固液兩相流泵是泵送含固體物的液體介質(zhì)的設(shè)備，從工作原理來看，有葉片 式和容積式兩種，廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、污水處理、市政工程、建筑、造紙， 化工流程、電力煤炭等部門。 容積式固液兩相流泵基本工作原理是利用泵腔液體體積的周期性變化來實(shí)現(xiàn) 固液兩相混合物的輸送，而葉片式固液兩相流泵的基本工作原理是通過旋轉(zhuǎn)的葉 片對(duì)固液兩相混合物做功，提高其能量以達(dá)到輸送的目的。由于工作原理的不同， 容積式固液兩相流泵可以輸送固體物含量較高的兩相介質(zhì)及流動(dòng)性不好的非牛頓 流體，而葉片式固液兩相流泵一般用來輸送固體物含量較低的兩相介質(zhì)。表1 - 1 2 第1 章緒論 說明這兩種泵運(yùn)行性能的區(qū)別。 表1 1容積式、葉片式固液兩相流泵運(yùn)行性能比較 輸送固體物的體積比運(yùn)行的穩(wěn)定性 容積式圊液兩相流泵高壓力脈動(dòng)大，流動(dòng)不穩(wěn)定，振動(dòng)噪音大 葉片式同液兩相流泵一般較低運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動(dòng)噪音小 一般來說，常見的固液兩相流體中固相物的濃度都不是太高，所以葉片式固 液兩相流泵比較常見，也是這些年來發(fā)展最快的泵，所以，本文主要討論葉片式 固液兩相流泵。 固相物的大小、形態(tài)、密度以及濃度是千差萬別的，因而葉片式固液兩相流 泵也就有各種各樣的結(jié)構(gòu)和形式。一般可以根據(jù)其輸送固體的成分和大小，分為 如下三類： 1 污水泵。主要用于輸送污水、糞便、紙漿、工業(yè)廢水、纖維等。輸送紙漿 的泵也叫紙漿泵； 2 渣漿泵。主要是指泥漿泵和砂泵，廣泛用于冶金、礦山、煤炭、電力等行 業(yè)輸送尾礦、精礦、廢渣、煤泥等?；痣姀S用來輸送灰渣的泵一般也叫灰渣泵， 選煤廠用的渣漿泵有時(shí)也叫礦漿泵； 3 泥泵。泥泵主要用于江河湖海的挖泥和疏浚，用來輸送砂石、泥土和雜草 等，一般要求有較大的通過能力。 當(dāng)然，固液兩相流泵也可以根據(jù)其他的分類方法進(jìn)行分類，如根據(jù)過流部件 的材料，可以分為金屬泵( 如高c r 鑄鐵、硬鎳) 和非金屬泵( 襯膠泵、陶瓷泵等) ； 根據(jù)其耐腐蝕性能也可以分為普通型和耐腐蝕型等。 ( 2 ) 固液兩相流泵正問題的研究 兩相流泵正問題的研究主要包括流動(dòng)理論、泵內(nèi)固體顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律、數(shù)值模 擬與流場(chǎng)測(cè)試外特性研究等方面的內(nèi)容。 流動(dòng)理論方面。在兩相流條件下，因?yàn)閼T性力不同，固液兩相各以不同的速 度運(yùn)動(dòng)。只有根據(jù)兩相流的速度場(chǎng)來設(shè)計(jì)泵的葉型和流道才能有效地轉(zhuǎn)換能量和 降低磨損。但泵內(nèi)的流態(tài)十分復(fù)雜，即使清水也無法用純數(shù)學(xué)的方法求解，對(duì)于 兩相流困難更大。到目前為止，還沒有建立一個(gè)公認(rèn)的數(shù)學(xué)方程式【4 6 j 。7 0 年代中 期，蔡保元教授首先提出了兩相流理論及設(shè)計(jì)原理，即相對(duì)堵塞和相對(duì)抽吸理論： 3 江蘇大學(xué)博士學(xué)位論文：含柔性固體的兩相流動(dòng)及前伸式雙葉片污水泵研究 當(dāng)固體速度小于水流速度時(shí)( 例如在葉輪進(jìn)口) ，固相對(duì)水流產(chǎn)生相對(duì)堵塞效應(yīng)； 反之產(chǎn)生相對(duì)抽吸作用( 例如在葉輪出口) ，給出了畸變方程和輸運(yùn)方程【4 l 】。這個(gè)理 論開創(chuàng)了固液兩相流宏觀研究的新局。8 0 年代末，許洪元教授提出了固液兩相流 速度比理論【3 9 】，即：離心泵中兩相流動(dòng)屬于分離流動(dòng)，在流道的不同部位，固體 顆粒的受力不同，固液兩相間的速度比發(fā)生變化，使兩相流體的濃度比隨之變化， 由此得出了固液速度比方程，并給出了葉輪幾何參數(shù)的計(jì)算公式。 研究水泵葉輪內(nèi)固體顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)兩相流泵設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)意義。3 0 年前國(guó)外就有學(xué)者采用高速攝影技術(shù)拍攝葉輪中固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，此后這方而 的研究時(shí)有報(bào)道。蘇波隆用高速攝影機(jī)拍攝葉輪中顆粒分別為8 1 01 1 1 1 1 的沙礫和 1 2t r i m 的沙子的運(yùn)動(dòng)軌跡，沙利亞分別于1 9 7 5 年和1 9 8 3 年利用高速攝影技術(shù)得 到了固體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。板谷樹用高速攝像機(jī)分別拍攝了葉輪中顆粒為5 1 9 m l l l 、0 8 2 衄、1 2 7 5m 的玻璃球的運(yùn)動(dòng)軌跡，并用l a g r a n g e 法進(jìn)行理計(jì)算，發(fā) 現(xiàn)在該粒徑范圍內(nèi)，質(zhì)量對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡幾乎沒有影響。國(guó)內(nèi)自2 0 世紀(jì)舳年代后期 以來，清華大學(xué)、西安交大、浙江大學(xué)先后開始涉及這一課題研究。朱金曦、趙 敬亭在文獻(xiàn)4 9 1 中用有限元法和差分法分別計(jì)算了葉輪島流面速度場(chǎng)及葉輪內(nèi)固 體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，得出的結(jié)論與蘇波隆相同。許洪元等利用高速攝像機(jī)，分別 采用豆類( d - 4 m m 、6 m m 、8 r a m ) 、玻璃球( d = 41 3 1 1 3 1 、61 1 1 1 1 1 、8r a m ) 、鋼球( d = 6m m 、 1 2m m ) 、石子( d = 1 2 m m 、5 m m ) ，對(duì)不同的葉片形狀在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗(yàn)，得 出的結(jié)論與沙利亞1 9 7 5 得出的結(jié)論相剛7 l 】。魏進(jìn)家也對(duì)閉式離心葉輪內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng) 軌跡做了試驗(yàn)研究，給出了葉輪內(nèi)兩相流運(yùn)動(dòng)中顆粒平均速度分布和濃度分布以 及顆粒在葉道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡1 5 1 1 。從目前發(fā)表的資料來看，對(duì)離心泵內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)的 實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算存在三種不同結(jié)論：顆粒質(zhì)量越大，其運(yùn)動(dòng)軌跡越偏離葉片工 作面，該觀點(diǎn)被較多學(xué)者認(rèn)同；顆粒質(zhì)量越大，其運(yùn)動(dòng)軌跡越靠近葉片工作面， 支持該觀點(diǎn)的學(xué)者不多；顆粒質(zhì)量對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡影響不大，支持該觀點(diǎn)的學(xué)者 極少。雖然這些觀點(diǎn)都有一些理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，但結(jié)論卻不一樣，這主要與實(shí)驗(yàn) 者現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件、理論簡(jiǎn)化以及缺乏對(duì)實(shí)際液流流場(chǎng)分析有較大差異有關(guān)。由 于旋轉(zhuǎn)機(jī)械中顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡非常復(fù)雜，現(xiàn)有的模型實(shí)驗(yàn)與真實(shí)情況還有一定差距， 因此對(duì)這方面的研究有待深入。 數(shù)值模擬與流場(chǎng)測(cè)試。數(shù)值模擬方法是研究水力機(jī)械的有力工具。隨著計(jì)算 4 第1 章緒論 機(jī)技術(shù)、流動(dòng)模型以及計(jì)算方法的不斷完善，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果越來越準(zhǔn)確，因此 也越來越受到人們的重視。目前對(duì)固一液兩相流數(shù)值模擬是通過建立兩相流模型 來封閉書方程，然后通過離散求解方程得到流場(chǎng)。固一液兩相流的數(shù)值模擬有 兩種方法，即e u l e r 法和l a g r a n g e 法。流動(dòng)模型從刻畫的尺度及屬性上區(qū)分主要 有二大類模型。第一類是把顆粒作為擬流體，認(rèn)為顆粒與流體是共同存在相互滲 透的連續(xù)介質(zhì)，兩相同在e u l e r 坐標(biāo)系處理，即連續(xù)流體模型，這是目前在兩相流 動(dòng)研究領(lǐng)域中使用最為廣泛的一種方法。如果顆