论文总字数：28991字

摘 要

由于离心泵在实际运行中的各种原因，空气会混入其中，使得泵内运输的是气液两相介质，导致离心泵的性能下降。因此，本文通过对气液两相流泵内气泡运动的可视化试验，以及建立试验泵模型进行数值模拟对气液两相流泵内气泡的运动规律和对泵性能的影响进行了研究。研究的主要内容及结论如下：

（1）介绍了可视化试验装置的组成，制定了研究泵内气泡运动和气泡变化规律的试验方案。

（2）在试验结果中发现，进口的气相体积分数逐渐变大会导致叶轮内流型由泡状流向湍流泡状流、弹状流和气液分层流逐渐过渡。

（3）进气量与叶轮内气泡平均直径呈现正比例关系，前者由1 l/min 增加到3 l/min 时，后者由0.6 mm增加到0.8 mm；初始液相流量与叶轮内气泡平均直径呈现反比例关系，前者由5 m³/h增加到10 m³/h时，后者由1.0 mm 减小到0.8 mm；转速与叶轮内气泡平均直径呈反比关系，前者由400 rpm 增加到600 rpm 时，后者由1.0 mm 减小到0.8 mm。

（4）泵内气液非定常流动的数值模拟结果表明，由于叶轮和蜗壳的动静干涉作用以及叶轮和蜗舌相对位置的改变，使得泵内的气相分布呈现周期性变化（叶轮旋转60°为一个周期），且随着进口气相体积分数的增大，叶轮内的气相区域逐渐扩散堵塞叶轮流道，使叶轮和液相间的能量传递遭到破坏，这是造成泵性能下降的主要原因。

关键词：气液两相流；可视化试验；叶轮流道；数值模拟；模型泵

Abstract

Due to various reasons in the actual operation of the centrifugal pump, air will be mixed into it, making the pump transport is a gas-liquid two-phase medium, resulting in the performance of the centrifugal pump. In this dissertation, through the visualization test of bubble movement in gas-liquid two-phase flow pump, and the establishment of the test pump model and the numerical simulation of the bubble movement in the gas-liquid two-phase flow pump and the impact on the pump performance were studied. The main contents and conclusions of the study are as follows:

(1) The composition of the visual test device was introduced, and a test plan was made to study the movement and variation of bubbles in the pump.

(2) It was found in the test results that the volume fraction of the gas phase at the inlet would gradually change, resulting in a gradual transition of flow pattern in the impeller from bubble-like flow to turbulent bubble-like flow, and from bullet-like flow to stratified flow of gas and liquid.

(3) The air intake is in direct proportion to the average bubble diameter in the impeller. When the former increases from 1 l/min to 3 l/min, the latter increases from 0.6 mm to 0.8 mm. The initial liquid flow was inversely proportional to the average bubble diameter in the impeller. When the former increased from 5 m³/h to 10 m³/h, the latter decreased from 1.0 mm to 0.8 mm. The rotation speed is inversely proportional to the average bubble diameter in the impeller. When the former increases from 400 rpm to 600 rpm, the latter decreases from 1.0 mm to 0.8 mm.

(4) The pump gas and liquid in the unsteady flow dynamic numerical simulation results show that due to the effect of noise interference of the impeller and volute and impeller and volute tongue relative position changes, the pump in the gas phase distribution of periodic changes (60°rotating impeller for a cycle), and with the increase of imported gas phase volume fraction, the impeller in the gas phase area gradually spread jam impeller passage, the energy transfer between the impeller and the liquid phase is destroyed, this is the main reason for the decline in pump performance.

Keywords: gas-liquid two-phase flow, visualization test, impeller runner, numerical simulation, model pump

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 IV

第一章 绪论 1

1.1气液两相流泵的研究背景 1

1.2气液两相流泵的国内外研究现状 1

1.2.1气液两相流泵的基础理论研究现状 1

1.2.2气液两相流泵内部流动的试验研究现状 2

1.2.3泵内部气液两相流流动的数值模拟现状 2

1.3研究总结及其展望 3

第二章 离心泵模型的建立及网格划分 5

2.1离心泵的建模 5

2.1.1建立叶轮 5

2.1.2建立蜗壳 6

2.1.3建立离心泵整体 7

2.2离心泵的网格划分及独立性验证 8

2.2.1叶轮及蜗壳的网格划分 8

2.2.2进出口段的网格划分 8

2.3数值计算方法 9

2.3.1计算模型选用 9

2.3.2边界条件 9

2.3.3控制方程 10

2.4 本章小结 10

第三章 离心泵内部模拟结果分析 11

3.1 数值模拟图像 11

3.1.1 残差曲线图 11

3.1.2 离心泵内气泡压力分析 11

3.1.3 离心泵静压力分布分析 12

3.1.4 离心泵内气相分布 14

3.2 外特性分析 15

3.2.1 离心泵扬程分析 15

3.2.2 离心泵的功率分析 16

3.2.3 离心泵的效率分析 17

3.3 本章小结 19

第四章 泵内气液两相流动可视化试验方法 20

4.1 试验系统 20

4.1.1 可视化试验装置 20

4.1.2 模型泵 21

4.1.3 动力传统系统 22

4.1.4 管路系统 22

4.1.5 进气系统 22

4.1.6 数据采集系统 22

4.1.7 高速摄像系统 23

4.2 选取高速摄影机的拍摄频率和曝光时间 24

4.3 高速摄影机拍摄位置的选取 25

4.4 可视化试验方案 25

4.4.1 泵内气液两相可视化试验方案 25

4.4.2 泵内气液混输瞬态过渡过程的可视化试验方案 25

4.5 本章小结 26

第五章 泵内气液两相流动实验结果分析 27

5.1 叶轮内的气液两相流动规律 27

5.1.1 泡状流 27

5.1.2 凝聚泡沫流 28

5.1.3 气泡流 28

5.1.4 分离流 29

5.2 气泡大小分布 31

5.2.1 气体流量恒定时的性能测试 33

5.2.2 在恒定液体流速下进行性能测试 35

5.2.3 转速对流量和泵性能的影响 36

第六章 经济性评价 39

第七章 结论及展望 40

7.1 结论 40

7.2 展望 41

参考文献 42

第一章 绪论

1.1气液两相流泵的研究背景

泵是一种常见的机械工具，人类的生活与生产离不开泵，无论是在工地上，还是在家庭里，只要是有需要取水的地方，就可以看到泵的存在 ^[1-3]。离心泵广泛应用于工业建设、城市规划、农业生产、海洋工程、石油化工以及能源运输等领域^[4-6]，在工程建设中，泵的作用并不局限于抽水，有时候需要泵来输送含有气液两相混合物的介质，或者因为机械漏气等原因，导致泵内流体由液相单相变成气液两相混合流体 ^[7-9]，导致泵的性能突降，扬程陡降，甚至无法正常运行。因此，近年来泵的气液两相流动研究受到人们的重视。

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