高含气条件下叶片式气液混输泵内非定常流动的数值模拟方法与机理研究

叶片式气液混输泵在输送高含气率气液混合介质时容易出现相态分离和系统不稳定现象，解决这一问题的前提是研究混输泵在高含气条件下的内部非定常流机机理。申请者以双流体模型为基础，针对高含气率、非定常和旋转流动的特点，构建混输泵内气液两相流动的数值计算模型和方法。相间作用模型以现有气泡动力学理论为基础，考虑高含气率和旋转效应的影响加以修正和完善；湍流的求解采用结合涡旋粘性模型和大涡模拟技术的方法，分析最优参数与网格、流量和含气率的关系，以适应不同工况的模拟要求；针对高含气条件下易出现的物理和数值不稳定性，研究非定常两相流动的稳定求解技术。所提模型和方法将结合已有外特性实验和内流观测结果进行综合验证与评价。在此基础上，开发相应的程序模块，在高性能并行计算系统下实现对混输泵内气液两相流动的大规模非定常计算；基于不同工况条件下的计算结果，分析其流动特性和机理。

相态分离和系统不稳定现象是叶片式气液混输泵在输送高含气混合介质时容易出现的问题，并制约了该泵型的发展。本项目针对高含气率、非定常和旋转流动的特点，对混输泵内气液相间作用力进行了量级分析，建立了高含气条件下叶片式混输泵内气液相间作用模型，丰富了旋转机械内气泡群运动理论和气液相间作用理论；通过结合RANS和大涡模拟，考虑相含量脉动引起的附加源项，建立了能基本反映不同工况下泵内气液两相非定常流动过程的湍流模型；通过对离散方法、网格、时间步和松弛方法等进行分析，基本掌握了非定常气液两相流动的稳定求解方法。所建立的数值模块通过二次开发实现了在计算软件中的嵌入，而数值方法的可靠性由已有的外特性实验和内流观测结果进行综合验证。在此基础上，探讨了叶片式混输泵内两相流动的基本输运规律，分析了输运过程中的气液分离、附加质量力效应和不连续气团运动等特殊现象的形成机制，丰富了叶片泵内气液两相流动理论，为高性能气液混输泵的设计开发提供了理论参考。