水力機械中的多相流動理論

水力機械中的多相流動理論

1機械研磨中多相流動理論在含砂介質中運行的水手機械的磨損問題非常嚴重，尤其是在中國的黃河流域上。為此,國內(nèi)、外水機界學者進行了廣泛的實驗研究,取得了很大的成就。然而,要徹底解決水機的磨蝕問題,需研究水力機械中的多相流動理論。從目前發(fā)表的文獻來看,大多以蔡保元教授的兩相流設計理論作為指導。2輪葉輪葉片的水力設計從文獻[2～5]的計算和實驗知:顆粒偏向于轉(葉)輪葉片的工作面。另外,從許多文獻的實驗中可以看出:在葉片的工作面出現(xiàn)了嚴重的魚鱗和溝槽,故可認為轉輪葉片的工作面在磨蝕中泥砂磨損占主導作用,而轉輪葉片背面是低壓區(qū)。且從文獻的計算結果可知:汽泡偏向轉輪葉片的背面。因此,轉(葉)輪葉片背面的破壞在磨蝕中汽蝕占主導作用。為此,我們水力設計的主要思想是:針對含砂水中的流場進行葉片型線設計,將設計出來的無厚度的葉片作為背面。然后,以背面為基準,根據(jù)顆粒的運動軌跡逐次替代加厚得到葉片工作面,使得型線與軌跡的誤差盡量小。這樣,可減少工作面的撞擊磨蝕,使得磨損盡量為接觸性磨損,而不致于產(chǎn)生破壞性的磨損,使得葉片工作面越磨越光。由于背面是按含砂流場設計的,可避免汽蝕,故可達到減少水力機械轉輪葉片的磨蝕、增加轉輪壽命的目的。關于計算顆粒的運動軌跡并連結成型面,可在有關文獻中查閱。3稀疏顆粒流場的理想設定假定所研究的流場是軸對稱的,且稀疏顆粒不破壞有勢流場,因此,假定所研究的稀疏顆粒的流場為一個“理想的軸對稱有勢場。故由于水流含砂后,使得按清水流場設計的葉片所對應的流網(wǎng)就不適合含砂流場,應按含砂流場來設計葉片背面。3.1球粒的制備工藝設ε為軸面準正交線(含砂流場)與z軸的夾角,則有:為了便于研究,作如下基本假設:1)固液兩相之間無質量交換;2)把固相看作“擬流體”;3)兩相濕度相同;4)所有顆粒為尺寸相同的的球粒。故,由在柱坐標下的連續(xù)方程,有式中αi為濃度(i=s,f)式(2)便是濃度αi沿準正交線的分布公式,αi0為(固、液)初始濃度分布。3.2細胞視角計算為了建立軸面速度沿準正交線的速度梯度方程,如圖1所示取坐標(本文以水輪機為例),β為軸面流線切線與Z軸的夾角,根據(jù)連續(xù)方程,考慮到有勢流動時:rot=0(固、液兩相近似認為滿足),則有:又則由(1)、(3)、(5)式,得:δ為準正交線與軸面流線切線的夾角得:同理可得:則有:故式中Vmhi=Vmi|l=lh,按下式計算:lh,ls為上冠及下環(huán)處準正交線的長度。流量校核式為:式中j為軸面流線的編號;補充條件:αf+αs=13.3含砂流場的流網(wǎng)首先,在流網(wǎng)給定的條件下,式(13)中的β,δ,dβ/dl,dβ/dm均可用數(shù)值方法求解。因此,用清水流場的流網(wǎng)作為第一次的初始流網(wǎng),這樣,采用落后一次的方法,計算出修改流網(wǎng),最后,(Δ為給定的精度),若成立,則得到含砂流場的流網(wǎng)。否則,根據(jù)流量偏差反插,修改流網(wǎng),直到滿足給定精度為止。3.4機械轉葉輪葉片的積分在含砂流網(wǎng)計算出來之后,則我們所要設計的葉片必須適應此流場,以使葉片的能量轉換(含砂粒的能量轉換)最高、汽蝕性能最好,因此,采用積分葉片的一般積分方程,即:式中Vm近似用所計算微段的平均值來代替(固液兩相),把根據(jù)含砂流場所積分出的無厚度葉片型線作為葉片背面,然后,根據(jù)顆粒的運動軌跡,對葉片以背面為基準向工作面加厚。通過本方法得到的水力機械轉(葉)輪葉片,其能量性能高,汽蝕性能好,且抗磨蝕能力最優(yōu),因而,可達到出力大、壽命長的目的。對泵而言,可提高其效率,減少能耗。4實際發(fā)電機改造應用上述方法,對一小電站進行了改造,主要參數(shù)為:Q=2.358m3/h,b0=0.23m,H=16m,ps=2670kg/m3,n=500r/min,D1=600mm,實際出力在原基