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摘 要

本文通过数值模拟的手段对泵内部固液两相流场进行分析。主要研究输送液相介质中含不同直径的固体颗粒时，离心泵内部流体流动规律随入口固相体积分数的变化情况，主要研究结果如下：

1. 固体颗粒直径对叶轮内流场分布影响较小，对蜗壳内压力数值及速度分布有一定影响；大尺寸固体颗粒在蜗壳内更倾向于沿壁面流动；泵内固体颗粒为1.5mm时，泵扬程、效率几乎不随入口固相体积分数的变化而改变；
2. 泵内输送含微小颗粒（）的固液两相流时，固体浓度的增加有助于提高泵效率，大尺寸颗粒浓度的增加则不利于泵的高效运行。这些研究发现有助于进一步改善离心泵的水力性能。
3. 对比离心泵输送不同直径的颗粒时泵的外特性可以发现，泵内输送小直径固体颗粒时比大直径固体颗粒直径时效率高，而轴功率效率要小。

关键词：固液两相流 离心泵 颗粒直径 数值模拟

Study on performance of centrifugal pump delivering solid-liquid two-phase flow with variable particle diameter

Abstract

In this paper, numerical simulation is used to analyze the solid-liquid two-phase flow field inside the pump. The main research is that when the liquid-phase medium contains solid particles of different diameters, the law of the liquid-phase flow in the centrifugal pump changes with the volume fraction of the inlet solid phase. The main research results are as follows:

(1) The diameter of solid particles has little influence on the distribution of flow field inside the impeller, and has certain influence on the distribution of pressure value and velocity inside the volute; Large solid particles tend to flow along the wall in the volute. When the solid particle diameter in the pump is 1.5mm, the pump head and efficiency hardly change with the change of solid phase volume fraction at the inlet.

(2) When the solid-liquid two-phase flow containing small particles (lt;1.5mm) is transported inside the pump, the increase in the solid concentration is conducive to the improvement of the pump efficiency, while the increase in the concentration of large-size particles is not conducive to the efficient operation of the pump. These findings are helpful to further improve the hydraulic performance of centrifugal pumps.

(3) By comparing the external characteristics of centrifugal pump when conveying particles with different diameters, it can be found that the efficiency of conveying solid particles with small diameter inside the pump is higher than that with large diameter, while the shaft power efficiency is smaller.

Key Words: Solid-liquid two-phase flow;  Centrifugal pump;  Particle diameter;

Numerical simulation

目 录

摘 要 2

Abstract 3

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2研究意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1固液两相流模型研究 1

1.2.2内部流动特性研究 3

1.2.3数值模拟研究 3

1.3固液两相流离心泵的性能影响因素 5

1.3.1出口角 5

1.3.2分流叶片 5

1.3.3边界层分离 5

1.3.4涂层 5

1.3.5固相浓度 5

1.4本文主要研究对象及内容 5

1.4.1熔盐的优点 6

1.4.2研究内容 6

第二章 固液两相流泵的基本理论 7

2.1 泵的基本理论 7

2.1.1 泵的基本参数 7

2.1.2 泵效率和泵损失 9

2.1.3 泵的基本方程 11

第三章 离心泵内部流动的数值模拟研究方法 13

3.1 湍流模型与控制方程 13

3.2离心泵几何模型建立和网络划分 15

3.3 离心泵控制方程 16

3.4 边界条件 17

3.4.1入口边界条件 17

3.4.1出口边界条件 17

第四章 模拟结果与分析 18

4.1泵内压力云图对比 18

4.2泵内速度图对 19

4.3 外特性对比 20

4.3.1扬程 20

4.3.2 水力效率 21

4.3.2轴功率 22

第五章 结果分析与展望 23

5.1 结论 23

5.2 展望 23

参考文献 24

致谢 26

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 研究背景

众所周知，离心泵作为一种输送流体的器械，现已被广泛应用于生产生活的各个方面。据统计，各种类型的泵运行所消耗的电力资源占我国总的电力资源的四分之一左右^[1]，其中大部分的消耗都来自离心泵。在2015年十月，以绿色发展为核心的五个新发展理念被提出。为了贯彻新发展理念，达成绿色发展的要求，就必须对离心泵进行深入研究，着手于降低能源消耗强度，并有效的提高离心泵的工作效率及使用寿命等各个方面。

1.1.2 研究意义

近几年来，国内外关于固液两相流离心泵的探索及研究已取得较多的成果，离心泵的工作效率也有所提高，但离发达国家同类产品还有差距^[2]。固液两相流离心泵与一般的单相介质泵不同，固液两相流泵一般运用的场所比较特殊，工作环境比较恶劣，输送的流体比较复杂，内部不仅仅有液相，而且还有固体颗粒的存在。这些固体颗粒在运输途中会产生比较严重的颗粒与颗粒之间，颗粒与泵之间摩擦与碰撞，这些摩擦和碰撞不仅会使得叶片和泵壁面的磨损更快更严重，而且会产生比较严重的振动，这会令离心泵的寿命和效率都有所下降。这些问题一直阻碍着固液两相流离心泵的发展与创新。但固体颗粒本身存在一定的差异，固相浓度、颗粒直径、密度和硬度都不尽相同，所以固液两相流泵的磨损机理一直难以得到准确合理的解释。

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