螺旋离心泵内固液两相非定常流动特性与能量转化机理研究

固体物料的水力输送是固液两相流动典型的工程应用，螺旋离心泵作为一类新型的杂质泵，在输送固-液两相流体时具有突出的优越性, 如高效、耐磨、抗堵塞等。其独特的螺旋离心叶轮在输送固-液两相流时的能量转化机理和非定常流体动力学行为是流体机械和多相流体力学新的研究方向。本项目基于固-液两相流理论,通过实验测试和数值计算的方法研究螺旋离心泵内非定常固-液两相流动特性和能量转化机理。重点考察固、液两相沿叶片的速度与压力分布规律，研究非定常流动时泵内速度、压力以及固相的体积分数等物理量的变化规律，分析螺旋离心泵内固液两相流非定常流动特性和叶轮的能量转化机理,为该类泵设计理论的完善和应用提供参考依据。项目研究成果还将会丰富固液两相流水力机械的非定常流动理论，并促进固液两相流科学在水力输送等工程领域的应用。

本项目基于固液两相流动理论，建立了旋转叶轮机械内固液两相非定常流动的数学模型和数值求解方法。基于激光粒子测速原理，搭建了可用于旋转流体机械内部固液两相流速度场测试的PIV实验台。针对包角相近不同规格的螺旋离心泵，通过数值模拟和实验考察了固、液两相沿叶片的速度与压力分布规律，得出了螺旋离心泵内非定常流动特性和诱导力特性，给出了固相密度、体积分数和粒径大小对螺旋离心泵内非定常流动和诱导力特性的影响。在此基础上，研究了离心力、容积和升力载荷系数沿包角的分布规律，得到了螺旋离心泵叶轮与流体介质功-能转换特性和机理。研究得出：..1.叶轮进口前存在较普通离心泵更强烈的预旋，使流体介质在进入叶轮流道前已形成一定的入流角，有助于固体物顺畅地进入叶轮流道，得到了叶轮进口对固体物的剪切和碰撞破坏减轻的原因；.2.叶轮与蜗壳的动静耦合以及非对称螺旋段的容积泵效应，使得泵进、出口处的压力脉动近似呈正弦函数分布规律；.3.通过对固液两相流场的监测，得到了沿螺旋离心泵叶轮型线的固液两相流速度分布规律以及固相体积分数在随时间变化的空间演化规律；.4.泵进、出口压力和叶轮轴向诱导力脉动近似呈正弦函数分布，叶轮径向诱导力近似呈椭圆函数分布；旋转的非对称叶轮与壳体之间的动静耦合形成了一个周期性容积变化，对流道内的流体起到了一个近似螺杆泵的周期性功-能转换作用。.5.随着包角和半径的增加，离心力、容积和升力载荷系数基本上呈现出先增加后减小的趋势。叶轮包角前1/3处，流体的能量主要来源于螺旋离心叶轮的升力和推力做功，在叶轮包角前1/3处以后离心力对流体的做功起到了主导作用。容积载荷系数的沿程变化反映了螺旋离心泵类似容积泵的能量“蓄积-释放”转换过程以及与输出表征的非同步效应。.6.结合固液两相流沿螺旋离心叶轮型线的空间分布规律，推导出了符合螺旋离心泵内固液两相流动规律的叶轮空间型线数学方程，给出螺旋离心泵优化设计方法。..该项目共计培养了3名博士和10名硕士研究生，发表学术论文29篇，其中EI收录16篇，SCI收录3篇，参加国内外学术交流29人次，超额完成了任务书各项指标。..项目研究成果为该类型泵的设计理论完善和工程应用提供了参考依据，也将会丰富固液两相流水力机械的非定常流动理论，并促进固液两相流科学在水力输送等工程领域的应用。螺旋离心泵； 固-液两相流； 能量转化机理；.非定常； 流动特性