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气泡直径对气液混输泵流动特性影响的数值研究

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水动力学研究与进展（A辑） 2023年第6期38卷 836-841页

作者：李智豪张文武祝宝山赵浩儒李正贵西华大学能源与动力工程学院成都610039 中国农业大学水利与土木工程学院北京100083 清华大学能源与动力工程系北京100084 清华大学山西清洁能源研究院太原030032

混输泵内气-液流动非常复杂,气泡可能会聚合或破裂,导致气泡尺寸不尽相同,然而气泡直径对混输泵内气液流动特性的影响尚不明确。为研究气泡直径对叶片式混输泵气-液流动特性的影响,该文采用ANSYS CFX对不同进口气泡直径下叶片式混输泵内... 详细信息

混输泵内气-液流动非常复杂,气泡可能会聚合或破裂,导致气泡尺寸不尽相同,然而气泡直径对混输泵内气液流动特性的影响尚不明确。为研究气泡直径对叶片式混输泵气-液流动特性的影响,该文采用ANSYS CFX对不同进口气泡直径下叶片式混输泵内气-液流动进行了全流道定常模拟。数值计算结果表明:进口含气率IGVF=10%时,混输泵的扬程和效率随着进口气泡直径的增加而下降,且其下降趋势可分为三个阶段。同时,随着进口气泡直径增大,叶轮内气体聚集程度增强,湍动能增大,叶轮内流场更为紊乱。与进口气泡直径d≤0.3 mm相比,当d≥0.4 mm时,液体对气泡的夹带能力较弱,叶轮内气体的聚集程度明显增强,导叶内流动出现了明显的多涡结构,气-液流动性较差,导致混输泵的效率和扬程显著下降。

关键词：混输泵气泡直径气液两相流含气率数值模拟

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复杂工况下深海采矿混输泵有限元分析

排灌机械工程学报 2023年第4期41卷 331-337页

作者：王凯陆钇霖刘厚林程智明管禹邹丽王磊江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心江苏镇江212013 大连理工大学船舶工程学院沈阳大连116024 中国船舶重工集团公司第七○二研究所江苏无锡214082

采用流固耦合及有限元方法对布放和混输等复杂工况下3级深海采矿混输泵进行强度计算,分析了泵内流场分布、转子部件应力应变及临界转速,并进行了500 m级深海采矿混输系统海上试验.结果表明:设计流量下,混输泵的计算扬程为124.30 m,相对... 详细信息

采用流固耦合及有限元方法对布放和混输等复杂工况下3级深海采矿混输泵进行强度计算,分析了泵内流场分布、转子部件应力应变及临界转速,并进行了500 m级深海采矿混输系统海上试验.结果表明:设计流量下,混输泵的计算扬程为124.30 m,相对误差为0.27%;布放工况时,混输泵最大变形仅为0.36500 mm,最大应力为73.971 MPa;混输工况时,泵最大变形为0.31500 mm,最大应力为58.860 MPa;转子部件前3阶模态仅沿泵轴方向变形,并未发生扭曲,而后3阶模态呈“S”形扭曲变形;转子部件1阶固有频率对应临界转速为2476 r/min;海试布放过程中混输泵安全可靠,混输工况下泵稳定运行时长超过57 h,实现了2次24 h连续无故障运行,且矿石颗粒体积浓度达到11.7%.

关键词：混输泵深海采矿布放有限元分析海上试验

基于机器学习的半开式混输泵气液两相压升特性预测研究

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水动力学研究与进展（A辑） 2023年第5期38卷 729-736页

作者：孙帅辉宋国华张晓明马晋阳闫思娜西安理工大学水利水电学院西安710048 陕西省引汉济渭工程建设有限公司西安710010

针对半开式混输泵气液两相运行,特别是喘振工况下,压升难以获取的问题,采用机器学习的方法预测其压升特性,以协助优化设计,保障混输泵安全运行。该文通过试验的方法,获得混输泵气液两相压升的数据;然后构建以转速、液相流量和入口体积... 详细信息

针对半开式混输泵气液两相运行,特别是喘振工况下,压升难以获取的问题,采用机器学习的方法预测其压升特性,以协助优化设计,保障混输泵安全运行。该文通过试验的方法,获得混输泵气液两相压升的数据;然后构建以转速、液相流量和入口体积含气率作为输入特征,并基于高斯过程回归(GPR)、BP神经网络(BPNN)以及支持向量机回归(SVR)等算法的机器学习模型,开展混输泵压升的预测和分析。结果表明:在混输泵正常工况时,BPNN模型在高含气率的预测值严重偏离试验值,GPR模型预测的相对误差在5%;在混输泵喘振工况时,BPNN和SVR模型的预测误差随着喘振的持续进行逐渐增大;GPR模型在喘振区间的压升预测值误差均小于SVR和BPNN模型,大部分样本点相对误差在5%。GPR模型的气液两相压升预测能力最优,该方法通过少量试验数据,即可达到大量试验的效果;以概率分布方式输出预测值更能适应喘振工况大压力波动的样本特征,显著提高了混输泵喘振现象的研究效率。

关键词：气液两相流混输泵机器学习压升特性

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深海采矿混输泵内流场及粗颗粒运动特性

排灌机械工程学报 2022年第8期40卷 800-806页

作者：王予琪宿向辉朱祖超浙江理工大学流体传输技术研究国家地方联合实验室浙江杭州310018

为了解决由于颗粒粒径大、流体相互作用复杂导致的混输泵内两相流动研究困难的问题,针对10 mm颗粒粒径的混输泵流动,使用标准k-ω模型,构建相同体积浓度、不同颗粒粒径的流动模型来研究粒径对于泵外特性的影响,并探究不同粒径颗粒在泵... 详细信息

为了解决由于颗粒粒径大、流体相互作用复杂导致的混输泵内两相流动研究困难的问题,针对10 mm颗粒粒径的混输泵流动,使用标准k-ω模型,构建相同体积浓度、不同颗粒粒径的流动模型来研究粒径对于泵外特性的影响,并探究不同粒径颗粒在泵内的分布情况.同时,还结合熵产理论,研究不同流量下混输泵内的能量损失及泵内过流部件的局部熵产情况.结果表明,混输泵叶轮流道内,颗粒在叶轮入口处发生低速堆积现象,颗粒速度随径向距离增大而增大.另一方面,在两极之间,第2级叶轮入口颗粒堆积现象减弱.随着粒径减小,颗粒在叶轮流道内加速度增大,出口处小粒径颗粒速度较大,且小粒径颗粒贴叶片运动现象比较明显.对比熵产,两极之间第2级熵产损失明显较大,造成2级外特性差异.同时,对比熵产分布发现,第2级叶轮和导叶内的局部熵产生率较大.研究结果对深海采矿水力提升装置中粗颗粒混输泵内流动的研究具有一定的参考价值.

关键词：混输泵粗颗粒两相流动能量特性 CFD-DEM 局部熵产生率

深海采矿混输泵内固液两相流的颗粒迁移特性研究

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深海采矿混输泵内固液两相流的颗粒迁移特性研究

作者：吕驭未浙江理工大学

学位级别：硕士

深海海底中蕴含的矿物资源储备丰富,其巨大的开发前景成为世界上重点研究对象。目前深海采矿主流的提升方式是管道式水力提升系统,即将海底矿物输送至海面。其中,混输泵是深海采矿系统的核心设备,提供将矿石从海底提升到海面所需的提升... 详细信息

深海海底中蕴含的矿物资源储备丰富,其巨大的开发前景成为世界上重点研究对象。目前深海采矿主流的提升方式是管道式水力提升系统,即将海底矿物输送至海面。其中,混输泵是深海采矿系统的核心设备,提供将矿石从海底提升到海面所需的提升力,所以混输泵内的输送性能的安全性和效率至关重要。泵内固液两相流的通过特性、复杂运动特性是决定混输泵运行安全性和效率的关键性因素。所以本文以深海采矿用混输泵作为研究重点,分析了不同因素在泵内对于固液两相流和颗粒迁移特性的影响。本文通过CFD-DEM(计算流体力学-离散元方法)耦合方法分析了混输泵内的流场流动特性、颗粒分布、通过特性;基于泵设计理论,研究了叶轮流道进出口面积比对于颗粒输送特性的影响;分析了混输泵在不同颗粒粒径的条件下的两相流流动特性和滑移速度特性。主要研究内容及结论如下:(1)完成了混输泵设计、实验对比及数值计算。通过两级混输泵的外特性实验结果和数值计算结果对比,验证了本文计算方法的准确性。(2)研究了混输泵两级内两相流流动特性,两级叶轮流动特性存在差异性,相比第一级,第二级叶轮速度分布不均匀,漩涡分布增至叶轮入口,但是流线紊乱和Ω漩涡破碎加剧。两级导叶内都存在漩涡区域,在叶片吸力面存在低压区。两级导叶内旋涡分布整体类似,第二级破碎程度加剧。泵中颗粒总数在0.5 s后趋于动态平衡,第二级通过性比第一级更好,颗粒动能随级数变化有限。叶轮入口区域颗粒拥挤且速度较低,进入叶轮后速度增大,加速后沿压力面运动至叶轮出口,两级叶轮颗粒速度与轨迹相近。颗粒群在一二级导叶中运动状态相近,主要沿导叶吸力面运动。(3)研究了不同叶轮流道进出口面积比对混输泵内颗粒输送的影响,随着叶轮进出口面积比F F提高,泵扬程提高但效率下降;叶轮叶片压力面中低速区扩大,逐渐产生涡流,在叶片吸力面后缘出现低速区并逐渐增大。叶轮入口附近低压区减少,叶轮出口处高压区减小,出口区域漩涡破碎,加剧流动不稳定性,影响颗粒运动。随叶轮进出口面积比F F提高,颗粒离开叶轮位置从叶片后段移至中间位置,出口处高速颗粒数量增多,离开叶轮时轨迹更平滑且减少碰撞,这有助于粒子移动。颗粒通过时间随比值先增大后趋于平稳,但标准差先增大后减小。模型泵3通过时间分布稳定,一二级叶轮颗粒通过时间分别提升5%和7%,过大比值对叶轮内颗粒通过时间有负面影响。(4)分析了混输泵内不同颗粒粒径的条件下的两相流流动特性。颗粒粒径在低浓度条件下,对混输泵的水力性能的影响力有限。小颗粒有更好的流体跟随性,更容易靠近叶片的压力表面分布和移动。大颗粒分布相对散乱,大颗粒的流体跟随性更差。颗粒粒径的大小对导叶内能量转换效率有一定影响,颗粒粒径越小,能量转换效率越高。颗粒通过混输泵内的时间随颗粒粒径增大而增加。三种粒径的颗粒滑移速度在总体变化趋势上呈现相似性。在第一级叶轮中,滑移速度在10-50 mm区间均以相同幅度升高。受小颗粒较好流体跟随性的影响,在叶轮出口位置处其滑移速度大幅降低。在导叶中,滑移速度随颗粒粒径减少而减少,说明小颗粒在导叶中速度下降幅度小于流体速度。滑移速度的零点位置随着颗粒粒径减小而左移,此时颗粒速度超过流体速度,这有利于后续颗粒的运输。

关键词：混输泵颗粒迁移特性叶轮进出口面积比颗粒滑移速度 CFD-DEM

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混输泵扬程与流量特性曲线的理论分析

石油学报 2007年第3期28卷 145-148页

作者：苗长山李增亮李继志中国石油大学机电工程学院山东东营257061

基于轴流泵的基本能量方程式和伯努利方程,提出了螺旋轴流式多相混输泵的扬程—流量特性曲线的理论分析方法。利用该方法可以得到泵的扬程—流量特性曲线,从而判断混输泵设计的优劣及对混输泵扬程特性的各个影响因素进行定性分析。利用... 详细信息

基于轴流泵的基本能量方程式和伯努利方程,提出了螺旋轴流式多相混输泵的扬程—流量特性曲线的理论分析方法。利用该方法可以得到泵的扬程—流量特性曲线,从而判断混输泵设计的优劣及对混输泵扬程特性的各个影响因素进行定性分析。利用该方法,分别给出了实际混输泵样机在不同进口体积含气率、不同转速情况下的扬程—流量特性曲线,分析了进口体积含气率和转速对混输泵扬程的影响。理论分析结果和实验结果基本一致。

关键词：混输泵扬程-流量特性曲线理论分析含气率转速

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同步回转式混输泵的工作原理与动力特性研究

西安交通大学学报 2010年第5期44卷 60-65页

作者：杨旭屈宗长吴裕远西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

提出了一种新型的同步回转式混输泵,介绍了该混输泵的结构特点与工作原理.在对其关键运动部件建立动力学模型的基础上,研究了该混输泵的动力学特性,分析了主要结构参数对泵的动力学性能的影响,并对样机进行了功率特性测试.研究结果表明... 详细信息

提出了一种新型的同步回转式混输泵,介绍了该混输泵的结构特点与工作原理.在对其关键运动部件建立动力学模型的基础上,研究了该混输泵的动力学特性,分析了主要结构参数对泵的动力学性能的影响,并对样机进行了功率特性测试.研究结果表明:同步回转式混输泵具有结构简单、运转平稳、制造成本低等优点;转子和油缸之间的相对角速度低于转子角速度的10%;滑板受力随相对偏心距和长径比的减小而减小,转子轴承与油缸轴承的载荷随相对偏心距的增大和长径比的减小而减小;在0.5～2.5MPa的工作压力范围内,样机的实测功率与理论计算值的相对偏差为17.3%～35.1%,其中摩擦功耗所占比例较大,需进一步改进.

关键词：同步回转混输泵动力特性相对偏心距长径比

流动参数对混输泵全流道内气液相间作用特性的影响

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工程热物理学报 2020年第8期41卷 1911-1916页

作者：张文武祝宝山余志毅清华大学能源与动力工程系北京100084 北京理工大学机械与车辆学院北京100081

为了解流动参数对混输泵内气液相间作用特性的影响,针对不同进口含气率(3%、9%、15%)、不同流量(0.75Qd、Qd、1.25Qd)和不同进口气泡直径(0.1 mm、0.4 mm、0.7 mm、1.0 mm)条件,利用ANSYS CFX对一叶片式气液混输泵进行了全流道数值模拟... 详细信息

为了解流动参数对混输泵内气液相间作用特性的影响,针对不同进口含气率(3%、9%、15%)、不同流量(0.75Qd、Qd、1.25Qd)和不同进口气泡直径(0.1 mm、0.4 mm、0.7 mm、1.0 mm)条件,利用ANSYS CFX对一叶片式气液混输泵进行了全流道数值模拟。计算结果表明:不同进口含气率下,泵内气液相间作用力中均是阻力起主导作用,湍流弥散力大小可忽略;随进口含气率增加,各相间作用力逐渐增大,且叶轮内相间作用力的增大幅度大于导叶。当Q=0.75Qd时,叶轮进口处阻力、附加质量力、升力以及叶轮内阻力均出现了明显增大。同时,进口气泡直径增加,叶轮内阻力、附加质量力和升力均增大,而导叶内相间作用力的变化相对较小。

关键词：混输泵相间作用力进口含气率气泡直径数值计算

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混输泵小流量工况的空化特性

排灌机械工程学报 2018年第1期36卷 15-20页

作者：刘小兵胡全友史广泰赵琴西华大学能源与动力工程学院四川成都610039 西华大学流体及动力机械教育部重点实验室四川成都610039

为改善混输泵在小流量工况下的水力性能,采用基于均相流假设的多相流模型和Rayleigh-Plesset方程,应用标准k-ε湍流模型,对混输泵小流量工况全流道空化流场进行数值模拟,分析几种典型空化工况下混输泵的输运性能以及在不同工况下叶轮内... 详细信息

为改善混输泵在小流量工况下的水力性能,采用基于均相流假设的多相流模型和Rayleigh-Plesset方程,应用标准k-ε湍流模型,对混输泵小流量工况全流道空化流场进行数值模拟,分析几种典型空化工况下混输泵的输运性能以及在不同工况下叶轮内部空泡的分布规律,最后根据模拟结果预测混输泵的能量特性并与试验结果作对比分析,从而在一定程度上验证了数值模拟的可靠性.研究结果表明:在小流量工况下,叶片进口绕流和动静干涉对叶轮内的流动分离产生较大的影响,同时旋涡形成的低压区会加剧进口空化、降低泵的混输性能;从初生到深度空化发展过程中,空化首先发生在叶片进口和靠近中间位置,在叶片背面进口的空化程度较严重,越靠近轮毂空化程度越严重,甚至阻塞流动,加剧叶轮内相态分离.该研究结果为混输泵的进一步优化设计、性能改善及试验研究提供理论依据.

关键词：混输泵空化小流量工况流动分离旋涡