半开式叶轮离心泵内部气液两相不稳定流动特性研究Studyontheunstableflowcharacteristicsofgas-liquidtwo-phaseflowinsemi-openimpellercentrifugalpump摘要本文的研究受到国家自然科学基金“气液两相流下离心泵内部流动机理及其流动诱导特性研究”（编号：51779107）和国家重点研发项目“应急智慧供水系统关键技术与提水装备研发”（编号：2020YFC1512403）的资助。工程实际中经常会遇到泵送气液两相流的问题，两相界面随着流体的流动状态不断变化，形成的流型复杂多变，进而导致离心泵性能下降，严重时气体会堵塞流道，甚至出现断流，严重危害机组的安全性和可靠性。而半开式叶轮离心泵由于其结构简单、适用范围广泛而被关注。但是，半开式叶轮离心泵可输送的流体含气率低，对吸入条件比较敏感。因此，半开式叶轮内的流动更复杂，其内部存在流动分离、二次流、旋转失速等非稳态流动现象，叶顶尖间隙涡也加速了回流的形成，导致泵内的各种流动损失增加。基于以上背景，本文首先对半开式叶轮离心泵在纯水条件下进行了不同流量的定常计算和非定常计算。然后采用欧拉欧拉双流体（two-fluidtwo-phaseflowmodel）模型和多组分（Muaig）模型对半开式叶轮离心泵进行了不同转速、不同入流含气率下的数值模拟，并将模拟结果与实验结果进行对比，发现Muaig模型较欧拉欧拉双流体模型能更好的反映半开式叶轮离心泵内部的真实流动状况。因此，本文最后采用Muaig模型进行了1000r/min、不同入流含气率下的非定常数值模拟。主要研究内容如下：1.纯水工况下，由定常计算结果可知：从叶顶间隙中间截面与离心泵中间截面压力及湍动能分布状况来看，流量的增大会改善叶顶间隙和叶轮流道内的流动状况，叶顶间隙涡和叶轮流道内漩涡减弱。由非定常计算结果可知：压力脉动是叶轮与蜗壳动静干涉作用的结果。小流量工况下，由于叶轮内流动分离强烈，I压力脉动复杂。蜗壳隔舌处的压力脉动最为剧烈。且随着流量的增加，压力脉动幅值减弱。2.含气工况下，由定常计算结果可知：入流含气率的变化直接影响叶轮内流型，流型的改变导致泵性能发生变化。气泡在叶轮内的流动形式随着入流含气率的增加会出现均匀泡状流、聚合泡状流、气囊流和分离流动。基于Musig模型分析了不同含气率下的流场特性，发现气相粒子之间聚合与破碎作用消耗能量较高，入口含气率越高压力脉动越剧烈会造成压降现象。叶轮流道中有大尺度漩涡和回流现象，这种现象随着含气率的增大越发明显。此外还得出一个结论，叶轮内部的气体含量的不同能对湍动能产生极大的影响，含量越多的区域湍动能越大这个现象表明，一旦气体在流道内产生汇集就会引起其中流体的不稳定性出现提高的情况，致使流体粘性损耗的更多，进而使得叶轮中的流体在能量交换和传递上出现不必要的消耗，最终削弱了模型泵的运行性能。3.含气工况下，由定常计算结果可知：小含气率下，叶轮和蜗壳内的气体主要以气泡的形式存在。随着入流含气率的增大，气泡增多增大，气泡之间的间隔更加紧密，因此，气泡之间的相互作用更加明显，在离心泵中会观察到气泡的团聚。由于气泡密度相对液体较小，气泡主要聚集在靠近叶片吸力面侧，然后逐渐向叶轮出口处运动。在蜗壳隔舌附近，一部分气泡处于停滞回旋状态，一部分气泡随液体回流进入叶轮流道内，部分远离隔舌的气泡由于液体的带动和浮力作用从离心泵中排出。4.含气工况下，由非定常计算结果可知：半开式叶轮离心泵压力脉动主频均为叶频及其倍频，叶轮与蜗壳的动静干涉对叶片出口，蜗壳各监测点以及离心泵出口压力脉动起主导作用，叶频处压力脉动幅值随着入流含气率的增大出现先增大后减小的规律，主要原因是当含气率增加到4.5%时，叶片表面几乎被气体附着，且叶轮流道及出口，蜗壳处出现大量气泡形成的气团，叶片对水的作用减弱使得水流与蜗壳隔舌的干涉作用减小。关键词：半开式叶轮，离心泵，内部流动，气液两相流，压力脉动，数值模拟，高速摄影技术IIABSTRACTTheresearchinthispaperisfinanciallysupportedbytheNationalNaturalScienceFoundation"Researchontheinternalflowmechanismandflowinductioncharacteristicsofcentrifugalpumpsunde...
