冲击式水轮机喷嘴内部固液两相流研究

学术论文 2016-08-25 15:47:57
  我国有着相当的丰富的水力资源,并且水能作为一种清洁的能源,对环境产生的污染很小。对于水力资源的开发,目前的现状是低水头的水力资源已快开发殆尽,而高水头水力资源却急需开发。因此,对高水头冲击式水轮机的重要部件喷嘴进行深入分析研究,显得十分必要。 
  研究泥沙颗粒对过流部件的冲蚀磨损研究方面,不少学者已经做了许多工作。在理论研究泥沙冲蚀磨损上,文献[1-3]研究了泥沙颗粒对水力机械过流部件的冲蚀磨损理论,分析了流场中泥沙颗粒的运动轨迹和磨损控制方程。这对后人在进行泥沙颗粒两相流研究时提供了的理论支撑。在数值模拟研究上,不少学者都做出了显著的贡献。文献[4-7]分别对冲击式水轮机的冲击磨损情况做出各自的分析研究。 
  结合我国西南地区的特点:河流中泥沙颗粒主要是石英砂,且河流中泥沙颗粒的体积分数不高,一般在10%以下。为此,选用低浓度固液两相流欧拉-拉格朗日混合湍流模型,分析泥沙颗粒对喷嘴的冲蚀磨损特性。 
  1 数学模型和数值模拟方法 
  1.1 模型建立 
  利用三维建模软件UG建立了冲击式水轮机喷嘴的三维数学模型。并使用专业网格划分软件ICEM CFD对模型进行网格划分,并对喷嘴出口处网格进行加密处理,最终得到了以四面体为核心的非结构化网格。 
  1.2 计算方法 
  根据喷嘴的实体特征,选用离散模型对泥沙颗粒在喷嘴内的运动特性进行研究。首先对连续相选用标准湍流模型,使用SIMPLE算法对连续相进行连续迭代计算,达到收敛后,得到了连续相的水流场。再次加入离散相-泥沙颗粒的运动方程。由于需要得到泥沙颗粒在水流中的运动轨迹,因此,算法上需要采用COUPLE算法对固液两相流进行耦合计算,最终收敛得到泥沙颗粒在水流场中的运动特性。 
  泥沙颗粒在运动时,会与固壁面产生碰撞磨损。也就是喷嘴内壁面和喷针发生碰撞磨损。冲蚀磨损定义为单位时间内,壁面磨损掉的材料质量与壁面磨损体积之比。在壁面和颗粒材料确定的情况下,磨损率取决于颗粒的冲击速度和角度等因素。本文选用的冲蚀磨损模型参考公式表述为: 
  (1) 
  (2) 
  式中,为颗粒质量流量;为颗粒的壁面接触面积;为颗粒的数量;为颗粒直径的函数;为颗粒对壁面的冲击角(侵入角);为冲击角的函数;是颗粒相对壁面的速度;是此相对速度的函数。在缺省值条件下,。 
  2 计算结果及分析 
  根据数值计算结果,进行后处理。流体在流经喷嘴时,速度和压力值会急剧升高。在距喷嘴口mm处,速度和压力达到最大值。之后急剧下降到一均衡值。同时,从冲蚀磨损曲线图中亦可看到,冲蚀和磨损发生的部位,恰好与速度和压力急剧变化的部位(mm)相吻合。这说明在喷嘴口处,由于速度和压力的急剧变化,同时伴随着突升的湍流强度。使得泥沙颗粒在喷嘴口处出现明显的冲蚀磨损现象,并随着时间的推移,泥沙颗粒对喷嘴的冲蚀磨损会不断的深入和恶化,进而影响到喷嘴的外观特性,直接影响射流的流动特性。如图1所示。 
  从图2可以看到,喷嘴冲蚀的主要分布在四个部分,且其中一个部分的冲蚀率小于相对方向的冲蚀率。探究其成因,主要是流体在流经喷管时,喷针在喷管内有四个固定肋,相互成90°直角分布。流体流经喷管内部时,由于存在固定隔板的阻挡,使得在隔板对应的圆周上,流体流速和压强要低于未设置隔板处。泥沙颗粒在重力作用下,使得喷嘴Y方向处的冲蚀率要高于其余三处的冲蚀率。表明重力作用对喷嘴内壁面冲蚀程度和冲蚀位置有着重要影响。 
  对比分析多种不同流速条件下,得到的喷嘴冲蚀率图,可以发现,喷嘴的冲蚀率与颗粒直径呈现出一定的函数关系:泥沙颗粒直径愈大对壁面的冲蚀率也会愈大。如图3所示,泥沙颗粒越大,对喷嘴口处的冲蚀率就越大。表明喷嘴的冲蚀率不仅与速度和压力有关,还与泥沙颗粒的直径大小有关系。 
  3 结语 
  (1)流体流经喷嘴时,由于速度、压力和湍流等参数值急剧的增加,使得在喷嘴处的泥沙颗粒变得异常的活跃。不断的撞击喷嘴壁面,随之发生冲蚀磨损。随着时间的推移,喷嘴处发生冲蚀磨损加重,范围加大。泥沙颗粒对壁面的冲蚀磨损率与泥沙颗粒的直径大小成一定的关系。随着泥沙颗粒直径的增大,壁面的冲蚀磨损率也随着增大。 
  (2)在重力作用下,使得喷嘴向下侧的冲蚀磨损情况要比向上侧严重,表明在计算固液两相流动时,重力作用影响相当关键。 
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