半开式叶轮离心泵内部气液两相不稳定流动特性研究 (1).docx

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1、分类号 TH311 密级 公 开 UDC 621.6 编号 学 位 论 文半开式叶轮离心泵内部气液两相不稳定流动特性研究张皓阳指导教师 袁寿其 研究员 司乔瑞 研究员 江苏大学流体机械工程技术研究中心 申请学位级别 工学硕士 专业名称 动力工程及工程热物理 论文提交日期 2021年4月 论文答辩日期 2021年6月 学位授予单位和日期 江苏大学 年 月 答辩委员会主席 _评阅人 _ 2021年6月1独 创 性 声 明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为

2、获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日28学位论文版权使用授权书江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊（光盘版）电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文

3、全文数据库并向社会提供查询。论文的公布（包括刊登）授权江苏大学研究生院办理。本学位论文属于不保密 。学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日半开式叶轮离心泵内部气液两相不稳定流动特性研究Study on the unstable flow characteristics of gas-liquid two-phase flow in semi-open impeller centrifugal pump专业名称 动力工程及工程热物理 指导教师 袁寿其 研究员 司乔瑞 研究员 姓 名 张皓阳 2021年6月江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要本文的研究受到国家自然科学

4、基金“气液两相流下离心泵内部流动机理及其流动诱导特性研究”（编号：51779107）和国家重点研发项目“应急智慧供水系统关键技术与提水装备研发”（编号：2020YFC1512403）的资助。工程实际中经常会遇到泵送气液两相流的问题，两相界面随着流体的流动状态不断变化，形成的流型复杂多变，进而导致离心泵性能下降，严重时气体会堵塞流道，甚至出现断流，严重危害机组的安全性和可靠性。而半开式叶轮离心泵由于其结构简单、适用范围广泛而被关注。但是，半开式叶轮离心泵可输送的流体含气率低，对吸入条件比较敏感。因此，半开式叶轮内的流动更复杂，其内部存在流动分离、二次流、旋转失速等非稳态流动现象，叶顶尖间隙涡也加

5、速了回流的形成，导致泵内的各种流动损失增加。基于以上背景，本文首先对半开式叶轮离心泵在纯水条件下进行了不同流量的定常计算和非定常计算。然后采用欧拉欧拉双流体（two-fluid two-phase flow model）模型和多组分（Muaig）模型对半开式叶轮离心泵进行了不同转速、不同入流含气率下的数值模拟，并将模拟结果与实验结果进行对比，发现Muaig模型较欧拉欧拉双流体模型能更好的反映半开式叶轮离心泵内部的真实流动状况。因此，本文最后采用Muaig模型进行了1000 r/min、不同入流含气率下的非定常数值模拟。主要研究内容如下：1. 纯水工况下，由定常计算结果可知：从叶顶间隙中间截面与

6、离心泵中间截面压力及湍动能分布状况来看，流量的增大会改善叶顶间隙和叶轮流道内的流动状况，叶顶间隙涡和叶轮流道内漩涡减弱。由非定常计算结果可知：压力脉动是叶轮与蜗壳动静干涉作用的结果。小流量工况下，由于叶轮内流动分离强烈，压力脉动复杂。蜗壳隔舌处的压力脉动最为剧烈。且随着流量的增加，压力脉动幅值减弱。2. 含气工况下，由定常计算结果可知：入流含气率的变化直接影响叶轮内流型，流型的改变导致泵性能发生变化。气泡在叶轮内的流动形式随着入流含气率的增加会出现均匀泡状流、聚合泡状流、气囊流和分离流动。基于Musig模型分析了不同含气率下的流场特性，发现气相粒子之间聚合与破碎作用消耗能量较高，入口含气率越高

7、压力脉动越剧烈会造成压降现象。叶轮流道中有大尺度漩涡和回流现象，这种现象随着含气率的增大越发明显。还发现湍动能的分布与气体在叶轮内部的分布密切相关，即气体含量多的区域湍动能也越大，说明气体的聚集引起了流道内流体流动不稳定性增加，导致流体粘性耗散程度损失增大，影响叶轮内流体能量交换和传递，导致模型泵的运行性能降低。3. 含气工况下，由定常计算结果可知：小含气率下，叶轮和蜗壳内的气体主要以气泡的形式存在。随着入流含气率的增大，气泡增多增大，气泡之间的间隔更加紧密，因此，气泡之间的相互作用更加明显，在离心泵中会观察到气泡的团聚。由于气泡密度相对液体较小，气泡主要聚集在靠近叶片吸力面侧，然后逐渐向叶轮

8、出口处运动。在蜗壳隔舌附近，一部分气泡处于停滞回旋状态，一部分气泡随液体回流进入叶轮流道内，部分远离隔舌的气泡由于液体的带动和浮力作用从离心泵中排出。 4. 含气工况下，由非定常计算结果可知：半开式叶轮离心泵压力脉动主频均为叶频及其倍频，叶轮与蜗壳的动静干涉对叶片出口，蜗壳各监测点以及离心泵出口压力脉动起主导作用，叶频处压力脉动幅值随着入流含气率的增大出现先增大后减小的规律，主要原因是当含气率增加到4.5%时，叶片表面几乎被气体附着，且叶轮流道及出口，蜗壳处出现大量气泡形成的气团，叶片对水的作用减弱，使得水流与蜗壳隔舌的干涉作用减小。关键词：半开式叶轮，离心泵，内部流动，气液两相流，压力脉动，

9、数值模拟，高速摄影技术ABSTRACTThe research in this paper is financially supported by the National Natural Science Foundation Research on the internal flow mechanism and flow induction characteristics of centrifugal pumps under gas-liquid two-phase flow (No. 51779107) and the national key research and developme

10、nt project Research and development on key technologies of emergency smart water supply system and water lifting equipment ( No.: 2020YFC1512403).In engineering practice, the problem of pumping gas-liquid two-phase flow is often encountered. The two-phase interface changes continuously with the flow

11、 state of the fluid. The formed flow pattern is complex and changeable, which will cause the decrease of performance of the centrifugal pump. In severe cases, the gas will block the flow-path or even cut off the flow. The safety and reliability of the unit are seriously endangered. The semi-open imp

12、eller centrifugal pump has attracted attention because of its simple structure and wide application range. However, the semi-open impeller centrifugal pump can transport fluid with low air content and is more sensitive to suction conditions. Therefore, the flow in the semi-open impeller is more comp

13、licated. There are unsteady flow phenomena such as flow separation, secondary flow, rotating stall, and so on. The tip clearance vortex also accelerates the formation of backflow, resulting in various flow losses in the pump increase.Based on the above background, this article first carried out stea

14、dy and unsteady calculations of different flow rates for the semi-open impeller centrifugal pump under pure water conditions. Then, the two-fluid two-phase flow model and the Muaig model were used to simulate the semi-open impeller centrifugal pump at different speeds and different inlet volume frac

15、tions. Comparing the simulation results with the experimental results, it is found that the Muaig model can better reflect the real flow conditions inside the semi-open impeller centrifugal pump than the Euler-Euler two-fluid model. Therefore, this paper finally uses the Muaig model to perform unste

16、ady calculations at 1000 r/min and different inflow gas volume fractions. The main research contents are as follows:1. Under pure water conditions, the steady calculation results show that: from the perspective of the pressure and turbulent kinetic energy distribution of the middle section of the ti

17、p clearance and the middle section of the centrifugal pump, the increase of the flow rate will improve the flow conditions in the tip clearance and the impeller flow-path. The tip clearance vortex and the vortex in the impeller flow-path are weakened with the increase of flow. From the unsteady calc

18、ulation results, it can be seen that pressure pulsation is the result of static and dynamic interference between the impeller and the volute.Under small flow conditions, the pressure pulsation is complicated due to the strong flow separation in the impeller. The pressure pulsation at the tongue of t

19、he volute is the most intense. And as the flow rate increases, the pressure pulsation amplitude decreases.2. Under gas-liquid two phase conditions, the steady calculation results show that: the change of inlet gas volume fractions affects the internal flow pattern of the impeller directly, and the c

20、hange of flow pattern leads to changes in pump performance. The flow form of bubbles in the impeller will appear uniform bubble flow, polymerized bubble flow, air bag flow and separated flow as the increase of inlet gas volume fraction. Based on the Musig model, the flow field characteristics under

21、different inlet gas volume fraction are analyzed, and it is found that the polymerization and fragmentation between gas phase particles consumes more energy. The higher the inlet gas volume fraction, the more severe the pressure pulsation, which will cause the pressure to drop. There are large-scale

22、 eddies and backflow phenomena in the impeller flow-path, which become more obvious as the inlet gas volume fraction increases. It is also found that the distribution of turbulent kinetic energy is closely related to the distribution of gas inside the impeller, that is, the larger the gas content th

23、e larger the turbulent kinetic energy of the area, indicating that the accumulation of gas causes the increase of fluid flow instability in the flow-path, resulting in loss of fluid viscosity dissipation, which influence the fluid energy exchange and transmission in the impeller, resulting in a decr

24、ease in the operating performance of the model pump.3. Under gas-liquid two phase conditions, it can be seen from the steady calculation results that at small inlet gas volume fraction, the gas in the impeller and volute mainly exists in the form of bubbles. As the inlet gas volume fraction increase

25、s, the number of bubbles increases, and the space between the bubbles becomes closer. Therefore, the interaction between the bubbles is more obvious, and the agglomeration of bubbles will be observed in the centrifugal pump. Because the density of the bubbles is relatively small compared to the liqu

26、id, the bubbles mainly gather on the side near the suction surface of the blade, and then gradually move toward the outlet of the impeller. Near the tongue of the volute, part of the bubbles are in a stagnant swirling state, some of the bubbles flow back into the impeller-path with the liquid, and s

27、ome bubbles far away from the tongue are discharged from the centrifugal pump due to the driving of the liquid and buoyancy.4. Under gas-liquid two phase conditions, the unsteady calculation results show that the main frequency of the pressure pulsation of the semi-open impeller centrifugal pump is

28、the blade frequency and its multiplier frequency. The dynamic and static interference of the impeller and the volute plays a leading role on the pressure pulsation of blade outlet、the monitoring points of the volute and the outlet of the centrifugal pump. The amplitude of the pressure pulsation at t

29、he blade frequency increases first and then decreases with the increase of inlet gas volume fraction. This is because the surface is almost adhered by gas, and a large number of air bubbles formed at the impeller-path、outlet and the volute. The effect of bladeon the water is weakened, so that the in

30、terference between the water flow and the volute tongue is reduced.Key words：semi-open impeller, centrifugal pumps, internal flow, gas-liquid two-phase inflow, pressure pulsation, numerical simulation, high-speed photography目 录摘 要IABSTRACTIII目 录VI主要符号说明X第一章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外研究现状11.2.1 半开式叶轮离心泵内

31、部流动研究11.2.2 泵气液两相流特性实验研究31.2.3 泵气液两相流特性数值模拟研究41.3 研究现状总结61.4 本文主要研究内容6第二章 泵内气液两相流理论基础及实验台搭建82.1气液两相流泵基础理论82.1.1 气液两相流基本概念82.1.2 泵在输送气液两相介质的性能变化82.2 气液两相流基本方程错误!未定义书签。2.2.1 均匀流动错误!未定义书签。2.2.2 分离流动错误!未定义书签。2.3 实验台介绍112.3.1 实验台搭建112.3.2 可视化实验装置172.3.3 可视化实验拍摄方案182.4 数据处理方法202.4.1实验相关物理量202.4.2 无量纲化处理方法

32、212.4.3 相似定律222.5 本章小结22第三章 纯水条件下半开式叶轮离心泵内部流动特性233.1 外纯水条件数值计算233.1.1 模型泵设计233.1.2 计算域模型243.1.3 网格划分253.1.4 网格无关性验证253.1.5 纯水数值计算湍流方程263.1.6 纯水数值计算边界条件263.2 纯水条件下半开式叶轮离心泵实验验证273.2.1 流量-扬程无量纲化分析273.2.1 模型泵外特性验证273.3 纯水条件下模型泵内部定常流动分析283.3.1 模型泵中截面压力图分布特性283.3.2 模型泵湍动能分析293.3.3 叶顶间隙涡动态特性分析293.4 纯水条件下模型

33、泵瞬态分析313.4.1 中截面压力图随时间的变化特性323.4.2 时频域分析方法333.4.3 压力波动情况分析343.4.4 相关特性与实验对比403.5 本章小结41第四章 含气条件下半开式叶轮离心泵定常流动特性434.1 本文采用的气液两相流模型434.1.1 欧拉模型434.1.2 Musig模型444.1.3 两种气液两相流模型的边界条件设置464.2 外特性464.2.1 实验结果分析464.2.2 欧拉-欧拉双流体模型和Musig模型计算结果对比484.3 不同含气率下气泡分布504.3.1 欧拉-欧拉双流体两相流模型气体分布504.3.2 Musig模型气相分布514.3.

34、3 实验验证564.4 基于MUSIG模型不同含气率下流场特性584.4.1 压力分布分析584.4.2 液相速度分析594.4.3 湍动能分析604.5 本章小结61第五章 含气条件下半开式叶轮离心泵非定常流动特性635.1 不同含气率下气泡分布随时间变化635.1.1 数值计算结果分析635.1.2 可视化实验结果对比655.2 气液两相流下动静干涉作用分析675.2.1 数值计算结果分析675.2.2 压力脉动实验对比715.3 本章小结72第六章 研究总结与展望746.1 研究总结746.2 研究展望75参考文献77致 谢83攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文84主要符号说明符

35、号物理意义单位符号物理意义单位A截面面积m2Re雷诺数b2叶片出口宽度mt时间sCp压力脉动系数u2出口圆周速度m/sCD阻力系数Ur相对不确定度dB气泡直径mmvl液相速度m/sDs泵进口直径mvg气相速度m/sDd泵出口直径mXrms压力均方根值PaD1叶轮进口直径mXs压力标准差PaD2叶轮出口直径mZ叶轮叶片数f频率Hz入流含气率%f0轴频Hz效率%g重力加速度m/s2流量系数H扬程m扬程系数Hth理论扬程mth理论扬程系数k湍动能m2/s2轴功率系数n转速r/minl液体密度kg/m3ns比转速g气体密度kg/m3p压力Pa混合密度kg/m3p平均压力Pa冲角()Q流量m3/h压降系

36、数Qd设计流量m3/h粘度Ql液体流量m3/h角速度rad/sQg气体流量m3/ht时间步长s注：文中对符号有注释的优先；多于一个含义的符号在文中另作说明。第一章 绪论1.1 研究背景及意义泵作为重要的能量转换装置，广泛应用于国民经济各个部门，是流体输送系统的“心脏”和关系国计民生和国家安全的战略装备。其复杂工况下的运行稳定对系统可靠性至关重要。在核电、石化和油气开采等高端技术领域经常会遇到离心泵送气液两相流的现象，如长距离有压管道内气体的析出、核电系统失水事故（LOCA）时冷却剂汽化等。然而，离心泵大多基于输送单相液体设计，在非设计工况下的流动结构复杂，已具有强烈的不稳定性。所以在输送气液两

37、相介质时，受叶轮旋转和流道曲率变化的影响，气相、液相均属于非刚性变化，两相界面随着流体的流动状态不断变化，形成的流型复杂多变，严重时气体会堵塞流道，产生气锁，导致泵的性能突降，甚至无法正常运行，危害机组的安全可靠运行。半开式叶轮离心泵故名思义采用的是半开式叶轮，该叶轮通常没有前盖板，只由叶片、后盖板和轮毂三部分组成。与闭式叶轮相比，半开式叶轮离心泵具有结构简单紧凑、加工方便、无堵塞性好、易于清洁、操作方便等优点。但是，半开式叶轮离心泵内的流动更复杂，不同工况下其内部不但存在流动分离、二次流、旋转失速等非稳态流动现象，叶片与泵体形成的叶尖间隙涡还加速了回流的形成。导致泵内的各种流动损失增加。低频

38、压力脉动也影响了半开式叶轮离心泵的性能，使用寿命和运行稳定性。含气条件下，半开式叶轮离心泵内部流动更加复杂，但目前对泵内气液两相流动机理还未揭示。现阶段，实验研究方法已非常成熟，数值模拟技术的飞速发展又为半开式叶轮内部流动研究提供了一种新的研究手段，通过数值模拟对流动特性揭示已经成为一种可能。通过采用这种数值模拟方法对半开式叶轮离心泵气液两相流的研究具有重要学术价值和工程应用前景。1.2 国内外研究现状1.2.1 半开式叶轮离心泵内部流动研究半开式叶轮离心泵效率高且效率可以通过调节叶顶间隙值来保持并提高。叶片易于切割或打碎以增加容量，并具有更大的比转速选择范围，与封闭式叶轮所携带的气体和固体颗

39、粒相比，由半开式叶轮处理的液体所含气体和固体颗粒的百分比更高。国内外学者对于半开式叶轮离心泵流动从实验和数值模拟这两个角度开展了以下研究：邵杰2等采用标准k-epsilon、SST和DES 3种湍流模型对小流量工况下半开式叶轮离心泵的流量扬程曲线和内部流场进行了数值模拟并应用二维粒子图像测速技术(PIV)对离心泵的内部流场进行了实验测量。研究证明：3种数值方法都能比较准确地预测半开式叶轮离心泵流量扬程曲线。随后，邵杰3等采用 DES 模型深入分析了半开式叶轮离心泵内部流动，并与内部流动实验进行对比，发现在小流量工况下，叶片压力面出现回流，半开式叶轮离心泵叶轮的出口边缘存在“弱射流-尾迹”流动结

40、构。TrupenParikh4等采用两相流模型中的流体体积方法（VOF）和湍流模型中的SST模型进行了3D瞬态仿真，发现叶顶间隙的存在可以提高气液混合比，同时，与标准叶顶间隙值情况相比，叶顶间隙的增加会导致较低的中位气泡直径。A. Farid Ayad5等通过数值研究在不同流速下离心泵叶顶间隙宽度的变化对离心泵性能参数（泵的扬程，效率，滑移系数，叶片载荷和内部流动结构）的影响，发现通过增加叶顶间隙宽度，二次流产生的涡旋，会阻碍核心流动，并降低半开式叶轮处的压力上升。Georgios Mousmoulis6等为了研究半开式径向叶轮离心泵的性能，运用了一种数值模型，该数值结果详细显示了复杂的流场和

41、叶顶间隙区域中靠近叶片前缘的二次流。吴玉珍等以微型半开式叶轮高速离心泵为研究对象开展多个过流部件结构匹配方案的实验研究，发现螺线蜗壳与后弯式长短叶片叶轮匹配的全流量方案具有较高效率。H Negishi7等运用三维可压缩雷诺平均Navier-Stokes以研究无前盖板叶轮的液体火箭氢泵内部流场，发现设计流量系数下叶轮出口处的总压力损失系数大于在设计流量系数为83的情况下，主要是由于强大的二次流结构出现在叶轮叶片的下游。贾丽丽8等通过对单级单吸半开式叶轮离心泵性能偏差的原因分析和探讨,确定了泵体和叶轮叶片之间的间隙值、半开式叶轮的外径尺寸D2和叶片宽度b2是影响泵扬程偏差的三个重要因素,并提出了控

42、制间隙、修锉叶片出口角等改进措施。张青扬9等采用数值模拟与外特性实验相结合的方法，对一台低比转速单级单吸半开式叶轮离心泵进行研究，发现随着相对间隙值的增加，泄漏量的增加使集聚在叶片工作面的高压流体通过叶顶间隙泄漏至叶片背面并在叶片背面流道中形成间隙泄漏涡,间隙泄漏涡的尺度随着间隙值的增大而增加。梁武科10等选取不同流量和不同泵腔宽度对单级单吸双蜗壳悬臂式半开叶轮离心泵进行数值计算发现在同一小流量工况下,后泵腔宽度越大泵腔内压力分布越均匀。综上所述可知，叶顶间隙的存在会提高气液混合比，但半开式叶轮离心泵内的流场复杂，叶顶间隙区域中靠近叶片前缘会出现二次流现象，随着叶顶间隙宽度的增加，二次流产生的

43、涡旋加剧，形成叶顶间隙泄露涡，叶顶间隙泄漏涡的尺度随着间隙值的增大而增加，这种现象会阻碍核心流动。同时会发现叶轮的出口边缘存在“射流-尾迹”流动结构。1.2.2 泵气液两相流特性实验研究离心泵的溶气运行是十分复杂气液两相流流动,目前仍无法用解析的方法准确地确定离心泵在不同工况下的性能特性，因此需要对离心泵进行实验，获得流量、扬程、轴功率、效率、转速等外特性参数。离心泵的实验对于离心泵产品设计与研发、优化与改进、生产与使用都有重要意义11。Jhoan M.C. Cubas12等对一台带有径向叶片和叶片扩散器的三级离心泵进行了性能测试和可视化实验，发现提高转速通常会导致叶轮内部气泡直径减小，从而提

44、高泵处理更高气体流量的能力，并最终扩大泵的工作范围。Thomas Schfer13等研究了仅用于输送液相的离心泵中附加夹带气体的影响并且用在时间平均旋转同步扫描模式下运行的高分辨率伽马射线计算机断层扫描（HireCT）量化了快速旋转的泵叶轮内部的局部相分数分布，发现平衡孔减少了叶轮内部区域的相分离和气体积聚。William Monte Verde14等对一台电潜泵进行了气液两相流动实验，以研究气体对压降的影响。实验结果表明，流动损失系数与雷诺数之间的相关性降低。Hamidreza Bozorgasareh15等将称为“叶片”的特定板连接到半开放式叶轮上，以限制叶片上的二次流，从而提高了泵的扬程

45、和效率。90叶片的叶轮可将由于二次流和涡流产生而造成的损失减少，改善半开式半开式离心泵的液压性能，甚至接近闭式叶轮配置。杨郭敏16等利用图像测量技术对离心泵内气液两相流中的气相流动特征进行研究，发现气团先是在后盖板和中间断面滞留，且是由出口叶片非工作面附近向工作面附近发展，且在大流量工况下，气液混合比会有所提高。Virira17通过高速摄像机对电动潜水泵进行可视化观察与分析，发现在进气区域存在涡旋，且气液分离随着混合速度的增加而减小，分离效率趋势的变化是由流型变化引起的。Schafer18以13001600 r/min的叶轮转速进行气体注入实验，运用超快X射线计算机断层扫描（Ultrafast

46、 X-ray computed tomography）技术揭示了离心泵叶轮区域中的气液两相流动力学。界面面积和气体滞留率变化表明，叶轮眼和泵腔朝向出口的界气液面高度搅动，而且泵腔内的气体堵塞非常稳定，阻碍了液体的传输。Chunlei Shao19等通过高速摄影研究了气液两相流的流动形式，发现泵的转速和初始液体体积流量对临界入口气体体积分数（Inlet air volume fractions）的影响不明显。随着IGVF的增加，叶轮和蜗壳中的流动形式可以分为孤立气泡流动、气泡流、气穴流、气液分离流四类。IGVF达到临界值后，蜗壳中的一些气泡开始流回蜗壳隔舌附近的叶轮。Si Qiaorui20等在不同的入口含气率下测量了泵的性能以