自吸泵內(nèi)氣液兩相流分析及數(shù)學(xué)模式
發(fā)布時(shí)間：2015-09-25
界層方程及氣液兩相流理論，在定的假設(shè)條件下，得出變密度和無因次縱向速度方程，并擬合出了葉輪出口自吸泵屬于特殊離心栗，是本世紀(jì)發(fā)展起來的新機(jī)種。與般離心泵比較，它具有不需要安裝底，啟動(dòng)前不需灌水，能自行排出進(jìn)水管中的空氣，把水吸上來的特點(diǎn)，特別是正常運(yùn)行時(shí)，吸入少量氣體也不會(huì)中斷抽水。在我國(guó)多用于農(nóng)業(yè)排灌，噴灌，消防和輸送低粘度輕質(zhì)油料。近20年來自吸泵發(fā)展很快，在小型泵領(lǐng)域中，它正向著高速小型，高揚(yáng)程自動(dòng)控制的方向發(fā)展。
1吸原理在裝有水的離心泵中，葉輪旋轉(zhuǎn)，將水壓入蝸殼和排出管中，使泵內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)的水環(huán)，并受吸入和排出側(cè)的壓力差作用，其厚度與該壓力差有關(guān)。葉輪內(nèi)部充滿吸入的空氣3在葉輪流道前部起噴嘴的作用，后部起擴(kuò)壓器的作用。通過葉輪的牽引作用在其外周處所驅(qū)動(dòng)的水，經(jīng)過噴嘴8壓入，掠過葉片空間吣與該處的水空氣混合物發(fā)生混雜。由于在葉片空間獲得加速度，混合物立即被壓入由導(dǎo)壁和隔舌所形成的擴(kuò)壓器形狀的流嚌其間流速降低在吐出口處混合物進(jìn)步減患導(dǎo)致空氣與水分離時(shí)布在水流內(nèi)部的氣泡匯聚向上移動(dòng)露出水面形成大量泡床并不斷破黏氣體逸出。脫氣后的水比泡沫重，沿著流道從回水孔流回葉輪，并被吸入蝸室，重新與氣體混合，參與帶走氣體當(dāng)接近自吸上水時(shí)，吸入管道的水位己上升到最高位置，水超過此位置后，便開始流進(jìn)葉輪吸入口，迅速被葉輪甩走，吐出口附近的水位增高了，即靜壓增加。因而，與此靜壓保持平衡的葉輪外緣的泡沫帶及內(nèi)緣的等壓面就不斷地向軸心方向壓縮，直至正常上水，泡沫帶及等壓面消失。
由此可，自吸泵實(shí)現(xiàn)自吸須完成以下個(gè)過程將葉輪內(nèi)的空氣不斷排出葉輪有效地將氣水分尚使脫氣后的水不斷返回葉輪重新參工作31.
1.泵內(nèi)氣液混合狀態(tài)帶沖刷裝置的自吸泵2葉輪出口氣液兩相流分析本節(jié)內(nèi)容主耍矣考文獻(xiàn)46，液體湍流射流與氣體相對(duì)運(yùn)動(dòng)段由于離心力作用，從葉輪甩出的液體是密實(shí)的，除真空作用夕，由于流體邊界與氣體間的粘滯作用，射流和湍流將氣體從吸入室?guī)肴~輪。液氣兩者作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且均為連續(xù)介質(zhì)，液體受葉輪及各種擾動(dòng)的影響，在葉輪邊緣處形成紊流，產(chǎn)生脈動(dòng)和面波。
液滴運(yùn)動(dòng)段旋轉(zhuǎn)的液體射流。增加了液氣接觸面，由于液體質(zhì)點(diǎn)的紊動(dòng)擴(kuò)，作用。射流而波的振幅不斷，大，當(dāng)振幅大于射流半徑時(shí)，被剪切分散形成液滴。高速運(yùn)動(dòng)的液滴分散在氣體中，與氣體分子沖擊和碰撞。將能試傳給氣體，這樣。氣體被加違和卡縮。該流動(dòng)段內(nèi)，液體變成不連續(xù)介質(zhì)。氣體仍為連續(xù)介質(zhì)，泡沫流運(yùn)動(dòng)段氣體被液滴粉碎為微小氣泡。液滴啦新聚合為液體，氣泡則分散在液體中。成為泡沫流。通過導(dǎo)葉的擴(kuò)壓，混合液的壓力升高，氣體被進(jìn)步壓縮。此時(shí)，液體為連續(xù)介質(zhì)，氣體變?yōu)榉稚⒔橘|(zhì)，由于液體的熱容量比氣體大，因此，氣體的壓縮為等溫過程。
液流段從導(dǎo)葉流出的氣液兩相流減壓減速，分布于水流內(nèi)部的氣泡有機(jī)會(huì)匯聚，向上移動(dòng)，露出7尺面，形成大量泡沫。泡沫的不斷破裂使氣體逸出，脫氣后的水沿著泵殼經(jīng)導(dǎo)葉流回葉輪外緣，重新參與氣體混合，又稱為循環(huán)用水。
3葉輪出口氣液兩相流動(dòng)方程的建立及流場(chǎng)為了作進(jìn)步的探討，可作以下假設(shè)自吸過程中，在葉輪出口軸面方向，蝸殼內(nèi)的水假設(shè)為靜止液體在葉輪出口的導(dǎo)葉作用下，水為自由射流；氣體射流邊界層不受蝸殼截面的影響；假設(shè)氣體向液體的揣流射流是不可壓縮的，射流過程中沒熱量擴(kuò)散，從整個(gè)自吸過程看，蝸室內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)模型可當(dāng)作不隨時(shí)間而變的流場(chǎng)。假定在兩相流動(dòng)的流場(chǎng)內(nèi)，氣相和液相的流速基本相等，兩相介質(zhì)己達(dá)到熱力平衡，因此流場(chǎng)內(nèi)的氣液兩相流可視為均流流動(dòng)的流場(chǎng)，在整個(gè)流場(chǎng)中，密役為變量。
在氣液兩相流中，均流流場(chǎng)的流動(dòng)密度與真實(shí)密度相等。而在整個(gè)流場(chǎng)中，密度為連續(xù)函數(shù)，即從氣相密度變?yōu)橐合嗝芏?。只要給定密度的分布規(guī)律，就可以求解兩相流動(dòng)的流場(chǎng)即葉輪軸面內(nèi)的速度場(chǎng)，從而進(jìn)步建立自吸泵排氣量與自吸時(shí)間的計(jì)算模型。
3.1建立變密度的氣液兩相流的流動(dòng)方程以下敘述主要參考文獻(xiàn)37勾。
根據(jù)托內(nèi)姆平平行射流理論，2.冬3.
9氣液兩相流的密度；〃縱向速度橫向速度呢1混合長(zhǎng)度理論給，由式式21羽導(dǎo)出不壓縮難穩(wěn)定，流的射流邊界方柯為1沖，混合長(zhǎng)度=.陽(yáng)僉常數(shù)，射流發(fā)展距離2士，為怔，流流動(dòng)結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)取，9.
選尤，9坐標(biāo)，9=7，引入流函數(shù)中廠公外3.2確定氣液兩相流的流動(dòng)密度設(shè)按指數(shù)規(guī)律變化的舊夜浞合物的密度為，Ar9內(nèi)邊界條件為化，=外邊界條件為9=90按指數(shù)規(guī)汴給定氣體的密度為3.3液兩相流微分方秤5的求解為了確定六個(gè)常數(shù)，3及射流邊界層內(nèi)外邊界的縱坐標(biāo)9，9！可以采用以邊界條件在射流邊界層內(nèi)邊界處。即當(dāng)，目標(biāo)函數(shù)，利用無約束問的最優(yōu)化方法，求得的極小值，便可解出該情況下的個(gè)系數(shù)。
3.4計(jì)算結(jié)果葉輪出口氣液兩相流無因次縱向速度，9如下式夕邊界與流動(dòng)方向的傾角atvtga=l2.1內(nèi)邊界與流動(dòng)方向的傾角=肌農(nóng)9=6.5 4掃氣貸及吸，間的計(jì)總模型4.1排氣量的計(jì)算對(duì)葉輪出口截面處積分，可得吸氣質(zhì)量流量其中，2葉輪夕徑；葉輪出口寬度，6系數(shù)；辦自吸高度，大氣壓下空氣的密度就越大，反之，排氣量就越小。它主要由栗體的結(jié)構(gòu)導(dǎo)葉與葉輪間的間隙回流方式等因素決定的。
4.2含垂直吸入管的吸時(shí)間計(jì)算吸入管中氣體處于等溫膨脹過程，其氣體狀態(tài)方程為尸廠=坩及77私全微分得又因排氣量=咖辦設(shè)由式910并積分得自吸時(shí)間面上升的高度。
若試驗(yàn)裝置中含有水平管段，當(dāng)自吸抽氣達(dá)到水平管路時(shí)，水自動(dòng)流向葉輪進(jìn)口，液體會(huì)帶走吸入室內(nèi)剩余的空氣，算為輸水工況，因而可不考慮水平管的影響。
5結(jié)論自吸泵中的氣液兩相流的流動(dòng)是復(fù)雜的過程，過去，自吸時(shí)間往往通過實(shí)驗(yàn)及積分的方法求取，十分不便。本文采用射流湍流理論和尋優(yōu)的計(jì)算方法，求解出了氣液兩相流的變密度方程以及在葉輪出口處的無因次縱向速度分布規(guī)律，從而建立了自吸時(shí)間的計(jì)算模型。根據(jù)自吸泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)安裝條件和室溫，即可推算出排氣量及自吸時(shí)間。目前，栗內(nèi)氣液兩相流這領(lǐng)域的研究尚處于探索階段，有待于今后進(jìn)步發(fā)展。
范宗霖。外混式自吸離心泵自吸性能的計(jì)算方法。水泵技術(shù)，1992陸宏圻。其它類型泵刈。北京水力電力出版社，1989.149徐旭東。自吸泵的自吸機(jī)理4.蘭州甘肅工業(yè)大學(xué)，1994.549.
陸宏折。射流泵技術(shù)的理論及應(yīng)用肘。北京水力電力出版社，1989.1727.
h陳之。作1體。夜相流動(dòng)和傳熱。北1；機(jī)業(yè)出版七19隊(duì)63.
7謝象春。湍流射流理論與計(jì)算。北京科學(xué)出版社，1975339.
8陳次昌，劉正英。兩相流泵的理論與設(shè)計(jì)北京兵器工業(yè)出版社。19H下期文章摘要杏林灣水庫(kù)環(huán)境因子對(duì)浮游輪蟲密度的影響盧亞芳。黃農(nóng)春。罔立紅集美大學(xué)水產(chǎn)生物技術(shù)研宄所水產(chǎn)學(xué)院，福建廈門361021度水溫等8項(xiàng)環(huán)境因子與浮游輪蟲密度進(jìn)行回歸分析，建立回歸模型，并確定與浮游輪蟲密度關(guān)系顯著的環(huán)境因子。回歸分析結(jié)果顯，南池透明度鹽度纖毛類生物量是影響浮游輪蟲密度的顯著相關(guān)因子，北池浮游植物生物量，細(xì)菌總數(shù)量，纖毛類生物量透明度量是影響浮游輪蟲密度顯著相關(guān)因子。
1吸原理在裝有水的離心泵中，葉輪旋轉(zhuǎn)，將水壓入蝸殼和排出管中，使泵內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)的水環(huán)，并受吸入和排出側(cè)的壓力差作用，其厚度與該壓力差有關(guān)。葉輪內(nèi)部充滿吸入的空氣3在葉輪流道前部起噴嘴的作用，后部起擴(kuò)壓器的作用。通過葉輪的牽引作用在其外周處所驅(qū)動(dòng)的水，經(jīng)過噴嘴8壓入，掠過葉片空間吣與該處的水空氣混合物發(fā)生混雜。由于在葉片空間獲得加速度，混合物立即被壓入由導(dǎo)壁和隔舌所形成的擴(kuò)壓器形狀的流嚌其間流速降低在吐出口處混合物進(jìn)步減患導(dǎo)致空氣與水分離時(shí)布在水流內(nèi)部的氣泡匯聚向上移動(dòng)露出水面形成大量泡床并不斷破黏氣體逸出。脫氣后的水比泡沫重，沿著流道從回水孔流回葉輪，并被吸入蝸室，重新與氣體混合，參與帶走氣體當(dāng)接近自吸上水時(shí)，吸入管道的水位己上升到最高位置，水超過此位置后，便開始流進(jìn)葉輪吸入口，迅速被葉輪甩走，吐出口附近的水位增高了，即靜壓增加。因而，與此靜壓保持平衡的葉輪外緣的泡沫帶及內(nèi)緣的等壓面就不斷地向軸心方向壓縮，直至正常上水，泡沫帶及等壓面消失。
由此可，自吸泵實(shí)現(xiàn)自吸須完成以下個(gè)過程將葉輪內(nèi)的空氣不斷排出葉輪有效地將氣水分尚使脫氣后的水不斷返回葉輪重新參工作31.
1.泵內(nèi)氣液混合狀態(tài)帶沖刷裝置的自吸泵2葉輪出口氣液兩相流分析本節(jié)內(nèi)容主耍矣考文獻(xiàn)46，液體湍流射流與氣體相對(duì)運(yùn)動(dòng)段由于離心力作用，從葉輪甩出的液體是密實(shí)的，除真空作用夕，由于流體邊界與氣體間的粘滯作用，射流和湍流將氣體從吸入室?guī)肴~輪。液氣兩者作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且均為連續(xù)介質(zhì)，液體受葉輪及各種擾動(dòng)的影響，在葉輪邊緣處形成紊流，產(chǎn)生脈動(dòng)和面波。
液滴運(yùn)動(dòng)段旋轉(zhuǎn)的液體射流。增加了液氣接觸面，由于液體質(zhì)點(diǎn)的紊動(dòng)擴(kuò)，作用。射流而波的振幅不斷，大，當(dāng)振幅大于射流半徑時(shí)，被剪切分散形成液滴。高速運(yùn)動(dòng)的液滴分散在氣體中，與氣體分子沖擊和碰撞。將能試傳給氣體，這樣。氣體被加違和卡縮。該流動(dòng)段內(nèi)，液體變成不連續(xù)介質(zhì)。氣體仍為連續(xù)介質(zhì)，泡沫流運(yùn)動(dòng)段氣體被液滴粉碎為微小氣泡。液滴啦新聚合為液體，氣泡則分散在液體中。成為泡沫流。通過導(dǎo)葉的擴(kuò)壓，混合液的壓力升高，氣體被進(jìn)步壓縮。此時(shí)，液體為連續(xù)介質(zhì)，氣體變?yōu)榉稚⒔橘|(zhì)，由于液體的熱容量比氣體大，因此，氣體的壓縮為等溫過程。
液流段從導(dǎo)葉流出的氣液兩相流減壓減速，分布于水流內(nèi)部的氣泡有機(jī)會(huì)匯聚，向上移動(dòng)，露出7尺面，形成大量泡沫。泡沫的不斷破裂使氣體逸出，脫氣后的水沿著泵殼經(jīng)導(dǎo)葉流回葉輪外緣，重新參與氣體混合，又稱為循環(huán)用水。
3葉輪出口氣液兩相流動(dòng)方程的建立及流場(chǎng)為了作進(jìn)步的探討，可作以下假設(shè)自吸過程中，在葉輪出口軸面方向，蝸殼內(nèi)的水假設(shè)為靜止液體在葉輪出口的導(dǎo)葉作用下，水為自由射流；氣體射流邊界層不受蝸殼截面的影響；假設(shè)氣體向液體的揣流射流是不可壓縮的，射流過程中沒熱量擴(kuò)散，從整個(gè)自吸過程看，蝸室內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)模型可當(dāng)作不隨時(shí)間而變的流場(chǎng)。假定在兩相流動(dòng)的流場(chǎng)內(nèi)，氣相和液相的流速基本相等，兩相介質(zhì)己達(dá)到熱力平衡，因此流場(chǎng)內(nèi)的氣液兩相流可視為均流流動(dòng)的流場(chǎng)，在整個(gè)流場(chǎng)中，密役為變量。
在氣液兩相流中，均流流場(chǎng)的流動(dòng)密度與真實(shí)密度相等。而在整個(gè)流場(chǎng)中，密度為連續(xù)函數(shù)，即從氣相密度變?yōu)橐合嗝芏?。只要給定密度的分布規(guī)律，就可以求解兩相流動(dòng)的流場(chǎng)即葉輪軸面內(nèi)的速度場(chǎng)，從而進(jìn)步建立自吸泵排氣量與自吸時(shí)間的計(jì)算模型。
3.1建立變密度的氣液兩相流的流動(dòng)方程以下敘述主要參考文獻(xiàn)37勾。
根據(jù)托內(nèi)姆平平行射流理論，2.冬3.
9氣液兩相流的密度；〃縱向速度橫向速度呢1混合長(zhǎng)度理論給，由式式21羽導(dǎo)出不壓縮難穩(wěn)定，流的射流邊界方柯為1沖，混合長(zhǎng)度=.陽(yáng)僉常數(shù)，射流發(fā)展距離2士，為怔，流流動(dòng)結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)取，9.
選尤，9坐標(biāo)，9=7，引入流函數(shù)中廠公外3.2確定氣液兩相流的流動(dòng)密度設(shè)按指數(shù)規(guī)律變化的舊夜浞合物的密度為，Ar9內(nèi)邊界條件為化，=外邊界條件為9=90按指數(shù)規(guī)汴給定氣體的密度為3.3液兩相流微分方秤5的求解為了確定六個(gè)常數(shù)，3及射流邊界層內(nèi)外邊界的縱坐標(biāo)9，9！可以采用以邊界條件在射流邊界層內(nèi)邊界處。即當(dāng)，目標(biāo)函數(shù)，利用無約束問的最優(yōu)化方法，求得的極小值，便可解出該情況下的個(gè)系數(shù)。
3.4計(jì)算結(jié)果葉輪出口氣液兩相流無因次縱向速度，9如下式夕邊界與流動(dòng)方向的傾角atvtga=l2.1內(nèi)邊界與流動(dòng)方向的傾角=肌農(nóng)9=6.5 4掃氣貸及吸，間的計(jì)總模型4.1排氣量的計(jì)算對(duì)葉輪出口截面處積分，可得吸氣質(zhì)量流量其中，2葉輪夕徑；葉輪出口寬度，6系數(shù)；辦自吸高度，大氣壓下空氣的密度就越大，反之，排氣量就越小。它主要由栗體的結(jié)構(gòu)導(dǎo)葉與葉輪間的間隙回流方式等因素決定的。
4.2含垂直吸入管的吸時(shí)間計(jì)算吸入管中氣體處于等溫膨脹過程，其氣體狀態(tài)方程為尸廠=坩及77私全微分得又因排氣量=咖辦設(shè)由式910并積分得自吸時(shí)間面上升的高度。
若試驗(yàn)裝置中含有水平管段，當(dāng)自吸抽氣達(dá)到水平管路時(shí)，水自動(dòng)流向葉輪進(jìn)口，液體會(huì)帶走吸入室內(nèi)剩余的空氣，算為輸水工況，因而可不考慮水平管的影響。
5結(jié)論自吸泵中的氣液兩相流的流動(dòng)是復(fù)雜的過程，過去，自吸時(shí)間往往通過實(shí)驗(yàn)及積分的方法求取，十分不便。本文采用射流湍流理論和尋優(yōu)的計(jì)算方法，求解出了氣液兩相流的變密度方程以及在葉輪出口處的無因次縱向速度分布規(guī)律，從而建立了自吸時(shí)間的計(jì)算模型。根據(jù)自吸泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)安裝條件和室溫，即可推算出排氣量及自吸時(shí)間。目前，栗內(nèi)氣液兩相流這領(lǐng)域的研究尚處于探索階段，有待于今后進(jìn)步發(fā)展。
范宗霖。外混式自吸離心泵自吸性能的計(jì)算方法。水泵技術(shù)，1992陸宏圻。其它類型泵刈。北京水力電力出版社，1989.149徐旭東。自吸泵的自吸機(jī)理4.蘭州甘肅工業(yè)大學(xué)，1994.549.
陸宏折。射流泵技術(shù)的理論及應(yīng)用肘。北京水力電力出版社，1989.1727.
h陳之。作1體。夜相流動(dòng)和傳熱。北1；機(jī)業(yè)出版七19隊(duì)63.
7謝象春。湍流射流理論與計(jì)算。北京科學(xué)出版社，1975339.
8陳次昌，劉正英。兩相流泵的理論與設(shè)計(jì)北京兵器工業(yè)出版社。19H下期文章摘要杏林灣水庫(kù)環(huán)境因子對(duì)浮游輪蟲密度的影響盧亞芳。黃農(nóng)春。罔立紅集美大學(xué)水產(chǎn)生物技術(shù)研宄所水產(chǎn)學(xué)院，福建廈門361021度水溫等8項(xiàng)環(huán)境因子與浮游輪蟲密度進(jìn)行回歸分析，建立回歸模型，并確定與浮游輪蟲密度關(guān)系顯著的環(huán)境因子。回歸分析結(jié)果顯，南池透明度鹽度纖毛類生物量是影響浮游輪蟲密度的顯著相關(guān)因子，北池浮游植物生物量，細(xì)菌總數(shù)量，纖毛類生物量透明度量是影響浮游輪蟲密度顯著相關(guān)因子。
