基于CFD-DEM算法的旋流泵大尺度颗粒固液两相流的输送机理研究

One of the challenges in solid-liquid mixing pumping of industry and agriculture is the intricate turbulence characteristic inside the bladeless chamber and flow channel when vortex pump is employed to pump large-scale particles. Interaction of fluid-particle、particle-particle and particle-wall are normally responsible for this flow behavior and can be solved by investigating the flow mechanism of the large-scale particles. In this project, elbow pipe and vortex pump are studied by means of numerical simulation, high-speed photography and 3D-PIV. 1) Based on the CFD-DEM coupling algorithm, calculating and verifying the flow characteristics of large-scale particles in curved tubes by simulations and experiments, finding the turbulence models and algorithms suitable for calculating large-scale particle motion. 2) Based on the multi-directional coupling method, exploring the three-dimensional motion trail and flow characteristic of large-scale particles in the bladeless chamber and flow channel, understanding the characteristics of pressure, vorticity, eddy dissipation and turbulence kinetic energy, revealing the correlation between solid-liquid multi-directional coupling characteristic and flow mechanism. 3) Based on the visualization experiment, analyzing the periodical evolution feature of particles and discrepancy of flow track in different phases, explaining the fluctuation characteristics of pressure field induced by interactions of solid-liquid, solid-solid and solid-wall, revealing the complicated pumping mechanism of large-scale particles.

旋流泵在输送大尺度颗粒时固液、固固及固壁间的交互作用，导致输送含大尺度颗粒时颗粒的复杂流动和流道堵塞，是固液混输工农业领域急需解决的难题之一，研究大尺度颗粒的流动机理是解决该问题的基础研究。本项目以弯管和旋流泵模型为研究对象，采用数值计算、高速摄影、3D-PIV等模拟与实验手段展开研究。1）基于CFD-DEM耦合算法计算大尺度颗粒在弯管内的流动特性，并与实验对比验证，找出适合计算大尺度颗粒运动的湍流模型和算法。2）基于多向耦合计算方法，探明大尺寸颗粒在无叶腔与叶轮流道内的复杂流动轨迹和流动特性，掌握泵腔内的压力场、涡量场、涡耗散、湍动能及其生成等湍流特性，揭示固液间多向耦合特性与流动机理的关联性。3）基于可视化实验，分析固体颗粒的周期性演化特性，以及大尺度颗粒在不同相位时的流动轨迹差异性，阐明固相-液相、固相-固相，固相-壁面间交互作用诱导旋流泵堵塞的原因，揭示大尺度颗粒复杂的输送机理。

近几年来，旋流泵在工农业中的城市排污、生产养殖等领域应用越来越广泛，然而，旋流泵作为复杂环境下（含有大颗粒石块、泥团、长纤维的固液混输场合）大尺度固液两相流泵输送时，固体物尺寸较大，在液相的流动下，跟随性较差，大尺度颗粒物在无叶腔中的流动轨迹复杂，容易造成流道半堵和全堵塞，导致水泵水力性能下降，迫使停机检修排堵，严重威胁旋流泵机组长期安全稳定运行，其不稳定性成为制约旋流泵的高速化发展的瓶颈。.针对以上现状，本课题采用DEM-CFD耦合计算、外特性试验和可视化试验等多种研究手段，开展了一系列的研究，掌握颗粒运动轨迹与主要结构参数的关联性，揭示大尺度颗粒输送机理，从而改进旋流泵的设计方法，降低流道拥堵和提高输送性能。.通过不同旋流泵模型方案的研究，结果表明：1）当输送1.5mm左右小颗粒时，虽然会在两相间产生颗粒绕流流动损失，但小颗粒的加入能够抑制小尺度涡的发展。 2）输送含颗粒的介质时，泵内主要存在着三种不同的颗粒输送方式，第一种为颗粒随贯通流经由叶轮进入蜗壳，第二种为受循环流影响经由无叶腔直接甩入蜗壳，第三种为颗粒从叶轮前端面区域进入叶轮，再经叶轮进入蜗壳。3）在循环流的作用下，颗粒从无叶腔沿着进口壁面螺旋回流进入进口段，与进口来流在某个区域相互冲击达到平衡。4）叶片包角越大，对固液两相流介质束缚力越强，流场较为平稳，但狭窄的流道使得固液混合物与叶片之间的摩擦面积增大，导致了更大的能量损失；包角越小，叶轮叶片对介质束缚力减弱，大部分颗粒可不通过叶轮直接从无叶腔区域进入蜗壳，抗堵塞性能提高，因此在设计叶轮时，可根据具体的场合选用较小的叶轮叶片包角。.通过本研究，旋流泵的关键技术得到了突破，掌握了大尺度颗粒的流动轨迹特征分布特性，为我国工农业和环保领域旋流泵机组设计和高效稳定运行，提供前期理论指导与技术支撑。