介观和宏观尺度的粗颗粒两相流泵内流机理研究

In this project, synchronous test, LES-DEM numerical simulation and theory analysis are used to study the mechanism of coarse particle solid-liquid flow in pumps based on mesoscopic and macroscopic levels. . Different coarse particles are made by 3D laser printing technology, the 3D PIV test, high speed photography and dynamic pressure test will be used to measure the coarse particle solid-liquid flow in the whole pump flow passage under many flow points synchronously. To solve the size contradiction between LES grid and DEM grid, the particle group model will be built. With the consideration of centrifugal force and Coriolis force, the soft sphere model is developed and improved, and then a LES-DEM combined calculation method of coarse particle solid-liquid flow will be built. The effect of rotor-stator interaction between impeller and diffuser on coarse particle solid-liquid flow and its flow stability will be presented. The effect of collision, breakage and reunion of coarse particles on solid-fluid flow and energy transmission in the pump will be researched. Also, the effect of different coarse particles and different pump geometry parameters on coarse particle two-phase flow will be researched. At last, how to control the balance between solid and fluid to against clogging under ordinary condition will be studied in detail. . The research fruits can disclose the rule of coarse particle solid-liquid flow in pumps, and provide test data and theory basis for the development of solid-fluid two-phase flow pumps.

本项目拟采用多场同步测试、LES-DEM数值计算和理论分析相结合的方法，从介观和宏观两个尺度深入研究泵内粗颗粒固液两相流机理。. 探索采用3D打印技术制备不同物性的粗颗粒，同步采用三维PIV测试、高速摄影和动态压力测试等对泵内粗颗粒两相流进行多尺度测量；构建颗粒群模型解决流体计算与颗粒计算间网格尺度匹配的难题；引入离心力和科氏力改进DEM软球模型，建立一种适用于泵内粗颗粒两相流计算的LES-DEM联合模式；探究叶轮与压水室动静干涉作用下液相湍流结构变化对粗颗粒流型和流动稳定性的作用机理；研究颗粒间碰撞、破碎及群集行为对液固相间作用和能量传递过程的影响规律；揭示粗颗粒物性参数和泵主要结构参数与粗颗粒固液两相流动结构间的内在联系和量化关系，建立泵平稳运行时固液两相防堵平衡判定准则。. 项目旨在系统掌握泵内粗颗粒固液两相流机理，为粗颗粒两相流泵的发展提供试验数据和理论基础。

粗颗粒两相流泵送广泛应用于深海采矿、填海造岛、污水处理和泥沙清淤等重要领域。本项目力图掌握泵内粗颗粒固液两相流的流动机理，丰富固液两相流泵的内流理论，从而为深海采矿扬矿泵等关键设备的设计提供理论基础。本项目的主要研究内容和成果如下。. （1）建立了粗颗粒在泵内的受力模型和运动方程。针对泵内固液两相流动，分析了颗粒在泵内受力情况，建立了颗粒受力模型；通过对不同颗粒所受各种力的量级分析分别建立了泵内细颗粒和粗颗粒运动学方程。. （2）搭建了泵内粗颗粒固液两相流多场特性的同步测试试验台。设计了全透明粗颗粒固液两相流模型泵，搭建了粗颗粒固液两相流泵多场性能同步测试试验台，实现了能量性能、压力脉动、颗粒轨迹和碰撞特性等同步测试，并开发了一种粗颗粒固液两相流高速摄影图像的后处理方法，可直接得到颗粒运动轨迹。. （3）采用高速摄影测试了泵内粗颗粒固液两相流动的规律。研究发现在进口条件基本相同的情况下，颗粒绝对和相对运动轨迹的包角均先减小后增大；叶轮进口及泵出口处颗粒浓度均较高，叶片工作面颗粒浓度比叶片吸力面的要高，且颗粒靠近叶片工作面的趋势较为明显。. （4）基于CFD-DEM耦合计算对泵内粗颗粒固液两相流进行了数值模拟和分析。研究发现粗颗粒在叶片工作面的运动速度比在叶轮背面的大，且沿叶轮径向均逐渐增大；蜗壳内粗颗粒在隔舌下游及隔舌附近的运动速度最大。. （5）研究了粗颗粒不同物性参数对泵内粗颗粒固液两相流动的影响规律。研究随着颗粒粒径、颗粒密度和颗粒体积分数的增大，泵扬程和效率均逐渐降低；且随着颗粒粒径的增大，颗粒相对运动偏向叶片工作面的趋势越明显；随着颗粒密度的增大，颗粒相对运动越易与叶片工作面发生碰撞或摩擦。. 本项目发表论文15篇，其中SCI检索8篇、EI检索2篇；授权发明专利2件，申请发明专利1件；获江苏省科技进步一等奖1项；培养硕士研究生4名、博士研究生1名。