半开式叶轮离心泵内部气液两相不稳定流动特性研究.docx

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1、分类号TH311密级公 开U D C621.6编号学位论文半开式叶轮离心泵内部气液两相不稳定流动特性研究张皓阳张皓阳指 导 教 师袁寿其研究员司乔瑞研究员江苏大学流体机械工程技术研究中心申请学位级别工学硕士专业名称动力工程及工程热物理论文提交日期2021 年 4 月论文答辩日期2021 年 6 月学位授予单位和日期江苏大学年月答辩委员会主席 _评阅人 _2021 年 6 月独 创 性 声 明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构

2、的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：年月日学位论文版权使用授权书江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊（光盘版）电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布

3、（包括刊登）授权江苏大学研究生院办理。本学位论文属于不保密 。学位论文作者签名：指导教师签名：年月日年月日半开式叶轮离心泵内部气液两相不稳定流动特性研究Study on the unstable flow characteristics of gas-liquidtwo-phase flow in semi-open impeller centrifugal pump专业名称动力工程及工程热物理指导教师袁寿其研究员司乔瑞研究员姓名张皓阳2021 年 6 月江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文I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：51

4、779107）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

5、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-fluid two-phase flowmodel）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 1000 r/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

6、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，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，半开式叶轮离心泵内部气液两相不稳定流动特性研究II入口含气率越高压力脉动越剧

7、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。还发现湍动能的分布与气体在叶轮内部的分布密切相关，即气体含量多的区域湍动能也越大，说明气体的聚集引起了流道内流体流动不稳定性增加，导致流体粘性耗散程度损失增大，影响叶轮内流体能量交换和传递，导致模型泵的运行性能降低。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

8、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

9、影技术江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文IIIABSTRACTThe research in this paper is financially supported by the National Natural ScienceFoundationResearchontheinternalflowmechanismandflowinductioncharacteristics of centrifugal pumps under gas-liquid two-phase flow(No.51779107)and the national key research and developme

10、nt project Research and development onkey technologies of emergency smart water supply system and water lifting equipment(No.:2020YFC1512403).In engineering practice,the problem of pumping gas-liquid two-phase flow is oftenencountered.The two-phase interface changes continuously with the flow state

11、of thefluid.The formed flow pattern is complex and changeable,which will cause thedecrease of performance of the centrifugal pump.In severe cases,the gas will block theflow-path or even cut off the flow.The safety and reliability of the unit are seriouslyendangered.The semi-open impeller centrifugal

12、 pump has attracted attention because ofits simple structure and wide application range.However,the semi-open impellercentrifugal pump can transport fluid with low air content and is more sensitive tosuction conditions.Therefore,the flow in the semi-open impeller is more complicated.There are unstea

13、dy flow phenomena such as flow separation,secondary flow,rotatingstall,and so on.The tip clearance vortex also accelerates the formation of backflow,resulting in various flow losses in the pump increase.Based on the above background,this article first carried out steady and unsteadycalculations of d

14、ifferent flow rates for the semi-open impeller centrifugal pump underpure water conditions.Then,the two-fluid two-phase flow model and the Muaig modelwere used to simulate the semi-open impeller centrifugal pump at different speeds anddifferent inlet volume fractions.Comparing the simulation results

15、 with the experimentalresults,it is found that the Muaig model can better reflect the real flow conditions insidethe semi-open impeller centrifugal pump than the Euler-Euler two-fluid model.Therefore,this paper finally uses the Muaig model to perform unsteady calculations at1000 r/min and different

16、inflow gas volume fractions.The main research contents are asfollows:1.Under pure water conditions,the steady calculation results show that:from theperspective of the pressure and turbulent kinetic energy distribution of the middlesection of the tip clearance and the middle section of the centrifuga

17、l pump,the increase半开式叶轮离心泵内部气液两相不稳定流动特性研究IVof the flow rate will improve the flow conditions in the tip clearance and the impellerflow-path.The tip clearance vortex and the vortex in the impeller flow-path areweakened with the increase of flow.From the unsteady calculation results,it can beseen tha

18、t pressure pulsation is the result of static and dynamic interference between theimpeller and the volute.Under small flow conditions,the pressure pulsation iscomplicated due to the strong flow separation in the impeller.The pressure pulsation atthe tongue of the volute is the most intense.And as the

19、 flow rate increases,the pressurepulsation amplitude decreases.2.Under gas-liquid two phase conditions,the steady calculation results show that:thechange of inlet gas volume fractions affects the internal flow pattern of the impellerdirectly,and the change of flow pattern leads to changes in pump pe

20、rformance.Theflow form of bubbles in the impeller will appear uniform bubble flow,polymerizedbubble flow,air bag flow and separated flow as the increase of inlet gas volume fraction.Based on the Musig model,the flow field characteristics under different inlet gasvolume fraction are analyzed,and it i

21、s found that the polymerization and fragmentationbetween gas phase particles consumes more energy.The higher the inlet gas volumefraction,the more severe the pressure pulsation,which will cause the pressure to drop.There are large-scale eddies and backflow phenomena in the impeller flow-path,whichbe

22、come more obvious as the inlet gas volume fraction increases.It is also found that thedistribution of turbulent kinetic energy is closely related to the distribution of gas insidethe impeller,that is,the larger the gas content the larger the turbulent kinetic energy ofthe area,indicating that the ac

23、cumulation of gas causes the increase of fluid flowinstability in the flow-path,resulting in loss of fluid viscosity dissipation,whichinfluence the fluid energy exchange and transmission in the impeller,resulting in adecrease in the operating performance of the model pump.3.Under gas-liquid two phas

24、e conditions,it can be seen from the steady calculationresults that at small inlet gas volume fraction,the gas in the impeller and volute mainlyexists in the form of bubbles.As the inlet gas volume fraction increases,the number ofbubbles increases,and the space between the bubbles becomes closer.The

25、refore,theinteraction between the bubbles is more obvious,and the agglomeration of bubbles willbe observed in the centrifugal pump.Because the density of the bubbles is relativelysmall compared to the liquid,the bubbles mainly gather on the side near the suctionsurface of the blade,and then graduall

26、y move toward the outlet of the impeller.Near the江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文Vtongue of the volute,part of the bubbles are in a stagnant swirling state,some of thebubbles flow back into the impeller-path with the liquid,and some bubbles far awayfrom the tongue are discharged from the centrifugal pump due to

27、the driving of theliquid and buoyancy.4.Under gas-liquid two phase conditions,the unsteady calculation results show thatthe main frequency of the pressure pulsation of the semi-open impeller centrifugal pumpis the blade frequency and its multiplier frequency.The dynamic and static interferenceof the

28、 impeller and the volute plays a leading role on the pressure pulsation of bladeoutlet、the monitoring points of the volute and the outlet of the centrifugal pump.Theamplitude of the pressure pulsation at the blade frequency increases first and thendecreases with the increase of inlet gas volume frac

29、tion.This is because the surface isalmost adhered by gas,and a large number of air bubbles formed at the impeller-path、outlet and the volute.The effect of bladeon the water is weakened,so that theinterference between the water flow and the volute tongue is reduced.Key words：semi-open impeller,centri

30、fugal pumps,internal flow,gas-liquid two-phaseinflow,pressure pulsation,numerical simulation,high-speed photography半开式叶轮离心泵内部气液两相不稳定流动特性研究VI目目录录摘摘要要.I IABSTRACTABSTRACT.IIIIII目目录录.VIVI主要符号说明主要符号说明.XIXI第一章第一章 绪论绪论.1 11.1 研究背景及意义.11.2 国内外研究现状.11.2.1 半开式叶轮离心泵内部流动研究.11.2.2 泵气液两相流特性实验研究.31.2.3 泵气液两相流特性数值

31、模拟研究.41.3 研究现状总结.61.4 本文主要研究内容.6第二章第二章 泵内气液两相流理论基础及实验台搭建泵内气液两相流理论基础及实验台搭建.8 82.1 气液两相流泵基础理论.82.1.1 气液两相流基本概念.82.1.2 泵在输送气液两相介质的性能变化.82.2 气液两相流基本方程.错误！未定义书签。错误！未定义书签。江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文VII2.2.1 均匀流动.错误！未定义书签。错误！未定义书签。2.2.2 分离流动.错误！未定义书签。错误！未定义书签。2.3 实验台介绍.112.3.1 实验台搭建.112.3.2 可视化实验装置.172.3.3 可视化实验拍摄

32、方案.182.4 数据处理方法.202.4.1 实验相关物理量.202.4.2 无量纲化处理方法.212.4.3 相似定律.222.5 本章小结.22第三章第三章 纯水条件下半开式叶轮离心泵内部流动特性纯水条件下半开式叶轮离心泵内部流动特性.23233.1 外纯水条件数值计算.233.1.1 模型泵设计.233.1.2 计算域模型.243.1.3 网格划分.253.1.4 网格无关性验证.253.1.5 纯水数值计算湍流方程.263.1.6 纯水数值计算边界条件.263.2 纯水条件下半开式叶轮离心泵实验验证.273.2.1 流量-扬程无量纲化分析.27半开式叶轮离心泵内部气液两相不稳定流动特

33、性研究VIII3.2.1 模型泵外特性验证.273.3 纯水条件下模型泵内部定常流动分析.283.3.1 模型泵中截面压力图分布特性.283.3.2 模型泵湍动能分析.293.3.3 叶顶间隙涡动态特性分析.293.4 纯水条件下模型泵瞬态分析.313.4.1 中截面压力图随时间的变化特性.323.4.2 时频域分析方法.333.4.3 压力波动情况分析.343.4.4 相关特性与实验对比.403.5 本章小结.41第四章第四章 含气条件下半开式叶轮离心泵定常流动特性含气条件下半开式叶轮离心泵定常流动特性.43434.1 本文采用的气液两相流模型.434.1.1 欧拉模型.434.1.2 Mu

34、sig 模型.444.1.3 两种气液两相流模型的边界条件设置.464.2 外特性.464.2.1 实验结果分析.464.2.2 欧拉-欧拉双流体模型和 Musig 模型计算结果对比.484.3 不同含气率下气泡分布.504.3.1 欧拉-欧拉双流体两相流模型气体分布.50江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文IX4.3.2 Musig 模型气相分布.514.3.3 实验验证.564.4 基于 MUSIG 模型不同含气率下流场特性.584.4.1 压力分布分析.584.4.2 液相速度分析.594.4.3 湍动能分析.604.5 本章小结.61第五章第五章 含气条件下半开式叶轮离心泵非定常流动

35、特性含气条件下半开式叶轮离心泵非定常流动特性.63635.1 不同含气率下气泡分布随时间变化.635.1.1 数值计算结果分析.635.1.2 可视化实验结果对比.655.2 气液两相流下动静干涉作用分析.675.2.1 数值计算结果分析.675.2.2 压力脉动实验对比.715.3 本章小结.72第六章第六章 研究总结与展望研究总结与展望.74746.1 研究总结.746.2 研究展望.75参考文献参考文献.7777致致谢谢.8383半开式叶轮离心泵内部气液两相不稳定流动特性研究X攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文.8484江 苏 大 学 硕

36、 士 学 位 论 文XI主要符号说明符号物理意义单位符号物理意义单位A截面面积m2Re雷诺数b2叶片出口宽度mt时间sCp压力脉动系数u2出口圆周速度m/sCD阻力系数Ur相对不确定度dB气泡直径mm?液相速度m/sDs泵进口直径m?气相速度m/sDd泵出口直径mXrms压力均方根值PaD1叶轮进口直径mXs压力标准差PaD2叶轮出口直径mZ叶轮叶片数f频率Hz入流含气率%f0轴频Hz效率%g重力加速度m/s2流量系数H扬程m扬程系数Hth理论扬程mth理论扬程系数k湍动能m2/s2轴功率系数n转速r/minl液体密度kg/m3ns比转速g气体密度kg/m3p压力Pa混合密度kg/m3?平均压

37、力Pa冲角()Q流量m3/h压降系数Qd设计流量m3/h粘度Ql液体流量m3/h角速度rad/sQg气体流量m3/ht时间步长s注：文中对符号有注释的优先；多于一个含义的符号在文中另作说明。江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文1第一章 绪论1.1 研究背景及意义泵作为重要的能量转换装置，广泛应用于国民经济各个部门，是流体输送系统的“心脏”和关系国计民生和国家安全的战略装备。其复杂工况下的运行稳定对系统可靠性至关重要。在核电、石化和油气开采等高端技术领域经常会遇到离心泵送气液两相流的现象，如长距离有压管道内气体的析出、核电系统失水事故（LOCA）时冷却剂汽化等。然而，离心泵大多基于输送单相液体

38、设计，在非设计工况下的流动结构复杂，已具有强烈的不稳定性。所以在输送气液两相介质时，受叶轮旋转和流道曲率变化的影响，气相、液相均属于非刚性变化，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，严重时气体会堵塞流道，产生气锁，导致泵的性能突降，甚至无法正常运行，危害机组的安全可靠运行。半开式叶轮离心泵故名思义采用的是半开式叶轮，该叶轮通常没有前盖板，只由叶片、后盖板和轮毂三部分组成。与闭式叶轮相比，半开式叶轮离心泵具有结构简单紧凑、加工方便、无堵塞性好、易于清洁、操作方便等优点。但是，半开式叶轮离心泵内的流动更复杂，不同工况下其内部不但存在流动分离、二次流、旋转失速等非稳态流动现象，叶片

39、与泵体形成的叶尖间隙涡还加速了回流的形成。导致泵内的各种流动损失增加。低频压力脉动也影响了半开式叶轮离心泵的性能，使用寿命和运行稳定性。含气条件下，半开式叶轮离心泵内部流动更加复杂，但目前对泵内气液两相流动机理还未揭示。现阶段，实验研究方法已非常成熟，数值模拟技术的飞速发展又为半开式叶轮内部流动研究提供了一种新的研究手段，通过数值模拟对流动特性揭示已经成为一种可能。通过采用这种数值模拟方法对半开式叶轮离心泵气液两相流的研究具有重要学术价值和工程应用前景。1.2 国内外研究现状1.2.1 半开式叶轮离心泵内部流动研究半开式叶轮离心泵效率高且效率可以通过调节叶顶间隙值来保持并提高。叶片易于切割或打

40、碎以增加容量，并具有更大的比转速选择范围，与封闭式叶轮所半开式叶轮离心泵内部气液两相不稳定流动特性研究2携带的气体和固体颗粒相比，由半开式叶轮处理的液体所含气体和固体颗粒的百分比更高。国内外学者对于半开式叶轮离心泵流动从实验和数值模拟这两个角度开展了以下研究：邵杰2等采用标准 k-epsilon、SST 和 DES 3 种湍流模型对小流量工况下半开式叶轮离心泵的流量扬程曲线和内部流场进行了数值模拟并应用二维粒子图像测速技术(PIV)对离心泵的内部流场进行了实验测量。研究证明：3 种数值方法都能比较准确地预测半开式叶轮离心泵流量扬程曲线。随后，邵杰3等采用 DES 模型深入分析了半开式叶轮离心泵

41、内部流动，并与内部流动实验进行对比，发现在小流量工况下，叶片压力面出现回流，半开式叶轮离心泵叶轮的出口边缘存在“弱射流-尾迹”流动结构。TrupenParikh4等采用两相流模型中的流体体积方法（VOF）和湍流模型中的 SST 模型进行了 3D 瞬态仿真，发现叶顶间隙的存在可以提高气液混合比，同时，与标准叶顶间隙值情况相比，叶顶间隙的增加会导致较低的中位气泡直径。A.Farid Ayad5等通过数值研究在不同流速下离心泵叶顶间隙宽度的变化对离心泵性能参数（泵的扬程，效率，滑移系数，叶片载荷和内部流动结构）的影响，发现通过增加叶顶间隙宽度，二次流产生的涡旋，会阻碍核心流动，并降低半开式叶轮处的压

42、力上升。Georgios Mousmoulis6等为了研究半开式径向叶轮离心泵的性能，运用了一种数值模型，该数值结果详细显示了复杂的流场和叶顶间隙区域中靠近叶片前缘的二次流。吴玉珍等以微型半开式叶轮高速离心泵为研究对象开展多个过流部件结构匹配方案的实验研究，发现螺线蜗壳与后弯式长短叶片叶轮匹配的全流量方案具有较高效率。H Negishi7等运用三维可压缩雷诺平均Navier-Stokes 以研究无前盖板叶轮的液体火箭氢泵内部流场，发现设计流量系数下叶轮出口处的总压力损失系数大于在设计流量系数为 83的情况下，主要是由于强大的二次流结构出现在叶轮叶片的下游。贾丽丽8等通过对单级单吸半开式叶轮离心

43、泵性能偏差的原因分析和探讨,确定了泵体和叶轮叶片之间的间隙值、半开式叶轮的外径尺寸 D2和叶片宽度 b2是影响泵扬程偏差的三个重要因素,并提出了控制间隙、修锉叶片出口角等改进措施。张青扬9等采用数值模拟与外特性实验相结合的方法，对一台低比转速单级单吸半开式叶轮离心泵进行研究，发现随着相对间隙值的增加，泄漏量的增加使集聚在叶片工作面的高压流体通过叶顶间隙泄漏至叶片背面并在叶片背面流道中形成间隙泄漏涡,间隙泄漏涡的尺度随着间隙值江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文3的增大而增加。梁武科10等选取不同流量和不同泵腔宽度对单级单吸双蜗壳悬臂式半开叶轮离心泵进行数值计算发现在同一小流量工况下,后泵腔宽

44、度越大泵腔内压力分布越均匀。综上所述可知，叶顶间隙的存在会提高气液混合比，但半开式叶轮离心泵内的流场复杂，叶顶间隙区域中靠近叶片前缘会出现二次流现象，随着叶顶间隙宽度的增加，二次流产生的涡旋加剧，形成叶顶间隙泄露涡，叶顶间隙泄漏涡的尺度随着间隙值的增大而增加，这种现象会阻碍核心流动。同时会发现叶轮的出口边缘存在“射流-尾迹”流动结构。1.2.2 泵气液两相流特性实验研究离心泵的溶气运行是十分复杂气液两相流流动,目前仍无法用解析的方法准确地确定离心泵在不同工况下的性能特性，因此需要对离心泵进行实验，获得流量、扬程、轴功率、效率、转速等外特性参数。离心泵的实验对于离心泵产品设计与研发、优化与改进、

45、生产与使用都有重要意义11。Jhoan M.C.Cubas12等对一台带有径向叶片和叶片扩散器的三级离心泵进行了性能测试和可视化实验，发现提高转速通常会导致叶轮内部气泡直径减小，从而提高泵处理更高气体流量的能力，并最终扩大泵的工作范围。Thomas Schfer13等研究了仅用于输送液相的离心泵中附加夹带气体的影响并且用在时间平均旋转同步扫描模式下运行的高分辨率伽马射线计算机断层扫描（HireCT）量化了快速旋转的泵叶轮内部的局部相分数分布，发现平衡孔减少了叶轮内部区域的相分离和气体积聚。William Monte Verde14等对一台电潜泵进行了气液两相流动实验，以研究气体对压降的影响。实

46、验结果表明，流动损失系数与雷诺数之间的相关性降低。Hamidreza Bozorgasareh15等将称为“叶片”的特定板连接到半开放式叶轮上，以限制叶片上的二次流，从而提高了泵的扬程和效率。90叶片的叶轮可将由于二次流和涡流产生而造成的损失减少，改善半开式半开式离心泵的液压性能，甚至接近闭式叶轮配置。杨郭敏16等利用图像测量技术对离心泵内气液两相流中的气相流动特征进行研究，发现气团先是在后盖板和中间断面滞留，且是由出口叶片非工作面附近向工作面附近发展，且在大流量工况下，气液混合比会有所提高。Virira17通过高速摄像机对电动潜水泵进行可视化观察与分析，发现在进气区域存在涡旋，且气液分离随着

47、混合速度的增加而减小，分离效率趋势的变化是由流型半开式叶轮离心泵内部气液两相不稳定流动特性研究4变化引起的。Schafer18以 13001600 r/min 的叶轮转速进行气体注入实验，运用超快 X 射线计算机断层扫描（Ultrafast X-ray computed tomography）技术揭示了离心泵叶轮区域中的气液两相流动力学。界面面积和气体滞留率变化表明，叶轮眼和泵腔朝向出口的界气液面高度搅动，而且泵腔内的气体堵塞非常稳定，阻碍了液体的传输。Chunlei Shao19等通过高速摄影研究了气液两相流的流动形式，发现泵的转速和初始液体体积流量对临界入口气体体积分数（Inlet air

48、 volume fractions）的影响不明显。随着 IGVF 的增加，叶轮和蜗壳中的流动形式可以分为孤立气泡流动、气泡流、气穴流、气液分离流四类。IGVF 达到临界值后，蜗壳中的一些气泡开始流回蜗壳隔舌附近的叶轮。Si Qiaorui20等在不同的入口含气率下测量了泵的性能以及压力脉动，发现高流速相比，低流速下泵的性能下降更为明显，在不同入口含气率下，监测点的压力脉动频率接近叶片通过频率，当入口含气率增加时，低频信号越来越明显。Cui Qianglei21等介绍了使用直接耦合单级，单吸离心泵在气液混合物下的离心泵的性能特征。基于相似性定律的无量纲系数，对三种不同的转速和不同的进气体积分数进

49、行了实验和数值模拟比较，并给出了结果。数值结果表明，对于几种流量系数，在标称转速下与实验数据都取得了很好的一致性。发现当入口含气率略低于 7时，泵会发生断流。当进入口含气率增加而流量系数减小时，转速降低对泵性能的影响越来越明显。1.2.3 泵气液两相流特性数值模拟研究传统离心泵的设计是基于经验，最终设计方案是通过反复实验来确定的。整个过程工期长，成本高，而且很大程度上取决于研究人员的经验。因此，数值模拟被广泛运用于离心泵的设计和流场分析。其中 CFX 是一个用于模拟和分析复杂几何区域内流体流动与热交换问题的专用软件。CFX 能够准确地描绘离心泵模型内部的流场状态，快速的计算出模型各项变动对性能

50、的影响，得出最佳的设计方案。最后可以时空区域物理量的场通过数值模拟方法直观的表现出来。因此利用CFD 对离心泵进行辅助研究已成为当前研究泵气液两相流特性的热点22。方欣23等应用 CFX 对电潜泵进行数值模拟发现，输送气液两相时电潜泵外特性均恶化，流道内压力值略增大，流速小幅值增大，且通入气液比越大泵的性能越差。气相在流道内分布不均匀，沿轴向方向气相聚集范围为自前盖板向流道出口延伸,气相浓度自前盖板向流道出口递减。何文婷24等基于修正模型和 Musig 模江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文5型分析揭示离心泵内气泡分布及流型转变特性，发现 Musig 模型描述了气相之间的破碎与聚并过程，最终