气固两相流叶轮机械磨损问题研究综述水泥瓦机

气固两相流叶轮机械磨损问题研究综述

气固两相流叶轮机械磨损问题研究综述 2011： 　Review on the Erosion Research of Gas-Solid Flow TurbomachineryYou Zhenjiang et al　　Recent study domestic and overseas on the erosion of gas-solid flow turbomachinery is reviewed,including computation for erosion research on impeller inner flow,mechanism and principles of blade erosion and optimal design against it.Research trend in future is also forecasted.This review can be a reference and guidance to relative projects.　　Keywords:gas-solid two phase flow,turbomachinery,erosion,review1　前言　　当含有固体颗粒的流体作为工作介质通过叶轮机械时，被流体挟带的固体颗粒将对所流经的固体壁面产生磨损作用。在水利水电、煤炭冶金、能源交通以及航空航天等部门中，叶轮机械的磨损问题都广泛地存在着，叶轮机械磨损的破坏程度已引起人们的普遍关注。　　叶轮机械叶片的磨损是一个十分复杂的物理过程，它与流体流速、流动形式、颗粒粒度和粒形、混合物浓度以及叶轮机械的结构设计和所用材料等因素都有关系。各因素之间相互制约，而且各因素内部又有诸多参数需加以考虑，因而给研究者带来许多困难。到目前为止，有关材料磨损方面研究较多，而流体机械方面研究较少。　　文献［1］曾对80年代末以前的50年中国内外叶轮机械气固两相流的研究进行了系统深入的回顾。进入90年代以来，对叶轮机械气固两相流的研究又有了新的进展，尤其是有关磨损方面的研究更有许多新的成果，结合笔者的研究，本文对近年来国内外的成果进行综述，以便给工程中叶轮机械的抗磨损研究提供参考。2　与磨损相关的叶轮机械内部流场分析　　吴仲华教授于1952年创立了叶轮机械内部流动的普遍理论，通过迭代求解多个S1流面和一个S2流面获得叶轮机械内部流动的准三维解。1964年Katsanis应用准三元理论，以准正交坐标系编制了求解子午面流动解析解的计算机程序。随后，国内外研究者在此基础上，按照该理论提出了很多关于求解这两类相对流面S2、S1的计算方法，促进了中心流线法的发展，这些研究成果越来越广泛地用于叶轮机械的流场计算中。　　叶轮内部流动的数值计算研究可以分为三个时期：(1)1950～1980年的30年是二维势流时期，内流计算大多以二维不可压势流为数学模型，以保角变换法、奇点分布法、FDM、FEM为数值方法。吴仲华的气体叶轮机械S1/S2相对流面理论得到发展，完成了由研究阶段向工业设计的转变。(2)1980～1990年的10年是准三维无粘流时期，开始普遍应用叶轮机械S1/S2相对流面理论来解决叶轮内部流动问题。这一时期还出现了全三维势流计算，尝试在二维势流的基础上引进边界层数值计算来考虑边界层对流动的作用。(3)从1990年开始，进入了全三维粘性流时期。这一时期的文献较多［2～10］。　　曹树良等基于雷诺时均方程和代数应力紊流模型［11］，采用贴体坐标和交错网格系统，用SIMPLEC算法对混流式水轮机模型转轮内部三维紊流进行了数值模拟，得出了设计工况的流场特性，并初步分析了转轮的汽蚀和能量特性。　　文献［12］研究了非额定工况下离心泵叶片增压腔内复杂三维流动性能的计算方法，在分析中，对不可压缩流体和Denton混合模型，利用了N—S方程。此外采用流动观测方法完成了该试验研究。　　70年代，Leonard提出了一种全新的数值模拟方法——扰动涡方法，它用体现扰动量的三维涡丝模拟了湍流斑的演化。吴先鸿等则首次将此法用于叶轮机内的非定常流［13］，发展了代数湍流模型(Baldwin-Lomax湍流模型)在尾迹中的应用方法，克服了其它数值方法中无法准确捕捉尾迹中心线的运动轨迹，以及计算出的边界层外的湍流涡粘性系数偏大的缺陷，计算得到了轴流叶轮机内由于动、静叶间的相互作用而引起的非定常流动过程。　　纵观叶轮机内部流动数值计算的发展可以看出：流动的数学模型经历了由简单到复杂的发展过程，这标志着数学模型处于旺盛的发展期；数值计算方法经历了由简单到复杂再到简单的螺旋式发展过程，这标志着数值计算方法已趋于成熟。预计叶轮紊流模型及将叶轮与前后过流部件作为一个整体的流动计算是以后研究重点。　　在固液两相流的计算方法中，比较传统的作法是采用基于分子扩散Fick定律的扩散方程描述固相颗粒在液相中的浓度分布，在这一方法中遇到的一个难题是如何确定颗粒相的紊动扩散系数，并且许多学者对颗粒群在紊流中的运动是否满足扩散方程也提出了不同的看法。近年来，基于双流体模型和轨迹模型发展起来的两相流计算方法得到越来越多的重视和实际应用。至今已有多名学者对离心泵叶轮中固体颗粒运动进行了数值计算和试验研究［14～16］。　　目前的两相流研究在分析连续相中的固相运动时，通常采用Lagrangian方法和Eulerian方法，这两种预测两相流动的方法都必须建立准确的流动模型才能成功，这方面的近期

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