本發(fā)明屬于泵內(nèi)固液兩相流研究領(lǐng)域，具體涉及一種基于清水內(nèi)流計(jì)算的泵內(nèi)顆?；扑俣扔?jì)算方法。

背景技術(shù)：

泵內(nèi)在輸送固液兩相流時(shí)，顆粒運(yùn)動(dòng)速度與周?chē)后w質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度存在一定的速度差，這個(gè)速度差便是顆粒滑移速度。顆?；扑俣饶軌蜉^為準(zhǔn)確地描述泵在輸送固液兩相流時(shí)的性能，并能夠有效預(yù)測(cè)泵輸送顆粒兩相流的性能。顆粒速度與液體質(zhì)點(diǎn)速度之間存在一定的關(guān)系，若是將這種關(guān)系利用函數(shù)關(guān)系式表達(dá)出來(lái)，通過(guò)對(duì)泵進(jìn)行清水內(nèi)流計(jì)算得到液體介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度，即可得到泵內(nèi)運(yùn)輸兩相流介質(zhì)時(shí)的顆粒速度，便能夠?qū)Ρ脙?nèi)固體顆粒速度起到有效的預(yù)測(cè)作用，并可此基礎(chǔ)上得到顆?；扑俣?。相比通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量固體顆粒在兩相流泵內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度，這將大大降低性能預(yù)測(cè)的成本。因此，有必要以清水內(nèi)流計(jì)算為基礎(chǔ)，建立泵內(nèi)顆?；葡禂?shù)的計(jì)算方法。

迄今為止，尚未見(jiàn)泵內(nèi)顆?；扑俣扔?jì)算方法，僅有一些在水平管和垂直提升管中對(duì)顆?；扑俣鹊挠?jì)算。礦業(yè)工程《垂直提升管中顆?；扑俣仍囼?yàn)研究》(2016年第4期)采用piv(粒子圖像測(cè)速法)研究了顆粒在深海采礦管道系統(tǒng)中的滑移速度，得到顆粒礦石滑移速度計(jì)算公式。中國(guó)科技論文在線《剪切流中顆?；扑俣鹊臄?shù)學(xué)解釋》(2014年)采用最小擾動(dòng)原理計(jì)算剪切流內(nèi)中性顆粒徑向移動(dòng)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)滑移速度是決定顆粒徑向位置的關(guān)鍵量，并對(duì)顆粒滑移速度進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和解釋。physicsoffluids《stokesnumbereffectsonparticleslipvelocityinwall-boundedturbulenceandimplicationsfordispersionmodels》(2012年第24期)采用顆?；扑俣茸鳛橹亓Ｗ釉谕牧魍ǖ懒鲃?dòng)的行為指標(biāo)。工程熱物理學(xué)報(bào)《泵中固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算》(1993年第4期)給出顆粒在泵內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方程表達(dá)式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種基于清水內(nèi)流計(jì)算的泵內(nèi)顆粒滑移速度計(jì)算方法，通過(guò)采用cfd方法進(jìn)行清水過(guò)泵數(shù)值計(jì)算得到泵內(nèi)部流體質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)速度，采用hsv(高速攝影)的方法來(lái)得到顆粒過(guò)泵時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡以及速度，建立顆粒速度計(jì)算公式，并在此基礎(chǔ)上求得泵內(nèi)顆粒滑移速度。

為達(dá)到以上目的，采用如下技術(shù)方案：

利用hsv的方法，對(duì)泵內(nèi)固液兩相流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，對(duì)不同物性的顆粒進(jìn)行拍攝。利用數(shù)字圖像處理軟件matlab處理出泵內(nèi)顆粒位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算顆粒的瞬時(shí)相對(duì)速度。通過(guò)cfd方法進(jìn)行清水過(guò)泵數(shù)值計(jì)算，處理出顆粒所在位置液流質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)速度。在此基礎(chǔ)上，建立并求解液體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度和顆粒速度的關(guān)系式，求解顆粒速度計(jì)算公式。根據(jù)顆?；扑俣榷x，建立一種泵內(nèi)顆粒滑移速度計(jì)算公式。

其具體步驟如下：

步驟1.采用高速攝影拍攝泵內(nèi)具有時(shí)間順序的粗顆粒兩相流圖片，得到泵內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)。

(1)選擇泵的中間界面作為測(cè)量平面，選擇三種不同密度的橡膠球顆粒作為試驗(yàn)顆粒；

(2)采用高速攝影測(cè)量泵內(nèi)具有時(shí)間順序的顆粒兩相流絕對(duì)速度場(chǎng)為：f(x，y，ti)、f(x，y，ti+t)、f(x，y，ti+2t)、……、f(x，y，ti+nt)，其中x、y為二維流場(chǎng)的空間坐標(biāo)，ti為不同相位的初始時(shí)刻，i＝0、1、……，t為高速攝影相機(jī)拍攝的時(shí)間間隔，n為拍攝顆粒兩相流圖像的數(shù)量。

步驟2.利用數(shù)字圖像處理軟件matlab處理步驟1得到的粗顆粒兩相流圖片，得出泵內(nèi)顆粒位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算泵內(nèi)顆粒的瞬時(shí)相對(duì)速度w顆粒。

(1)基于高速攝影實(shí)驗(yàn)得到泵內(nèi)顆粒絕對(duì)速度分布，采用matlab編譯顆粒兩相流高速攝影圖像處理c語(yǔ)言程序。處于泵旋轉(zhuǎn)部件(葉輪)區(qū)域內(nèi)的顆粒，對(duì)其進(jìn)行絕對(duì)速度場(chǎng)中對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的相位變換，可得到葉輪內(nèi)顆粒相對(duì)葉片運(yùn)動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)以及運(yùn)動(dòng)軌跡，此時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)為：f(x’，y’，ti)、f(x’，y’，ti+t)、f(x’，y’，ti+2t)、……、f(x’，y’，ti+nt)，其中x’、y’為變換后的二維流場(chǎng)的空間坐標(biāo)，讀取相位變換后顆粒所在位置坐標(biāo)。處于泵靜止部件(除葉輪外的部件)區(qū)域的顆粒不做該坐標(biāo)變換，讀取顆粒所在位置坐標(biāo)；

(2)根據(jù)速度三角形定律，計(jì)算出不同相位下的泵內(nèi)顆粒的瞬時(shí)相對(duì)速度w顆粒。

步驟3.采用cfd方法進(jìn)行清水過(guò)泵數(shù)值計(jì)算，處理出顆粒所在位置液流質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)速度w液體。

(1)采用有限元軟件fluent或cfx進(jìn)行泵清水過(guò)泵數(shù)值計(jì)算；

(2)利用cfd-post進(jìn)行后處理，將步驟2中處理得到的顆粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)錄入，讀取并導(dǎo)出顆粒所在點(diǎn)液流質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)速度w液體。

步驟4.根據(jù)韋伯分布，建立步驟2和步驟3中得到的w顆粒與w液體的關(guān)系式：

其中，δw為顆?；扑俣?，a為假設(shè)的計(jì)算參數(shù)，與顆粒的密度ρ、顆粒所在過(guò)水?dāng)嗝嬷睆絛m有關(guān)，b為假設(shè)的修正系數(shù)，k為常數(shù)。

步驟5.對(duì)步驟4所建立的關(guān)系式中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行求解，基于液流質(zhì)點(diǎn)速度建立泵內(nèi)顆?；扑俣扔?jì)算公式。

(1)將步驟2中顆粒各坐標(biāo)點(diǎn)的瞬時(shí)相對(duì)速度w顆粒，顆粒的密度ρ、顆粒所在過(guò)水?dāng)嗝嬷眃m，以及步驟3中導(dǎo)出的顆粒所在位置的液流質(zhì)點(diǎn)相對(duì)速度w液體導(dǎo)入matlab；

(2)將步驟4中公式各項(xiàng)參數(shù)的表達(dá)式或值求出，基于液流質(zhì)點(diǎn)速度建立泵內(nèi)顆粒滑移速度計(jì)算公式。

步驟6.顆粒運(yùn)動(dòng)速度與周?chē)后w質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度存在一定的速度差，這個(gè)速度差便是顆粒滑移速度，根據(jù)顆粒滑移速度定義，顆粒滑移速度公式δw＝w顆粒-w液體，代入步驟3中w液體的值和步驟5中w顆粒的計(jì)算公式，即可得到泵內(nèi)的顆?；扑俣取?/p>

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)基于泵內(nèi)顆粒真實(shí)流動(dòng)計(jì)算顆粒的瞬時(shí)速度，結(jié)合cfd計(jì)算的泵內(nèi)液體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度，建立液體速度與顆粒速度間的函數(shù)關(guān)系，并建立一種泵內(nèi)顆粒滑移速度計(jì)算公式；

(2)建立的泵內(nèi)顆粒速度計(jì)算公式，可根據(jù)液體質(zhì)點(diǎn)的速度有效表達(dá)出相應(yīng)點(diǎn)的顆粒瞬時(shí)速度；

(3)不僅能較為準(zhǔn)確地依據(jù)泵清水內(nèi)流計(jì)算得到泵內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)速度，并可在此基礎(chǔ)上求得泵內(nèi)顆粒滑移速度，對(duì)泵輸送不同物性顆粒介質(zhì)的運(yùn)輸性能進(jìn)行有效的評(píng)估和預(yù)測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1為一種基于清水內(nèi)流計(jì)算的泵內(nèi)顆?；扑俣扔?jì)算方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的雙葉片泵hsv測(cè)量平面；

圖3為泵葉輪內(nèi)顆粒過(guò)泵高速攝影圖；

圖4為泵葉輪內(nèi)顆粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)各時(shí)間點(diǎn)坐標(biāo)以及運(yùn)動(dòng)軌跡；

圖5為泵葉輪內(nèi)過(guò)清水?dāng)?shù)值計(jì)算后處理所得的速度分布圖，圖中十字交點(diǎn)代表高速攝影試驗(yàn)中顆粒相對(duì)葉片運(yùn)動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)位置。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例：

一比轉(zhuǎn)數(shù)為111的雙葉片泵，其設(shè)計(jì)工況：qd＝26m³/h，h＝2.68m，n＝750r/min。

步驟1.采用高速攝影測(cè)量泵內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡及速度分布。

(1)測(cè)量區(qū)域及不同物性顆粒的選取。

選擇雙葉片泵中間截面為測(cè)量平面，如圖2所示。葉輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，正對(duì)隔舌處葉片吸力面與x軸之間夾角θ＝28°。

選擇密度稍大于流體介質(zhì)水的球形橡膠球顆粒，其粒徑為12mm，密度分別為1.09g/mm³、1.2g/mm³、1.75g/mm³。

(2)泵內(nèi)速度場(chǎng)的測(cè)量方法。

采用相位平均法測(cè)量泵內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)。采用高速攝影測(cè)量具有時(shí)間順序的顆粒兩相流絕對(duì)速度場(chǎng)為：f(x，y，ti)、f(x，y，ti+t)、f(x，y，ti+2t)、……、f(x，y，ti+nt)，其中x、y為二維流場(chǎng)的空間坐標(biāo)，ti為不同相位的初始時(shí)刻，i＝0、1、……，t為高速攝影相機(jī)拍攝的時(shí)間間隔，n為拍攝顆粒兩相流圖像的數(shù)量。圖3為高速攝影拍攝的顆粒兩相流圖片。

步驟2.利用數(shù)字圖像處理軟件matlab處理出泵內(nèi)顆粒位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算泵內(nèi)顆粒的瞬時(shí)相對(duì)速度w顆粒。

(1)基于高速攝影實(shí)驗(yàn)得到泵內(nèi)顆粒絕對(duì)速度分布，采用matlab編譯顆粒兩相流高速攝影圖像處理的c語(yǔ)言程序。處于泵旋轉(zhuǎn)部件(葉輪)區(qū)域內(nèi)的顆粒，對(duì)其進(jìn)行絕對(duì)速度場(chǎng)中對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的相位變換，可得到顆粒相對(duì)葉片運(yùn)動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)以及運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖4所示。此時(shí)處于泵旋轉(zhuǎn)部件(葉輪)區(qū)域內(nèi)的顆粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)為：f(x’，y’，ti)、f(x’，y’，ti+t)、f(x’，y’，ti+2t)、……、f(x’，y’，ti+nt)，其中x’、y’為變換后的二維流場(chǎng)的空間坐標(biāo)，讀取相位變換后顆粒所在位置坐標(biāo)。

處于泵靜止部件(除葉輪外的部件)區(qū)域的顆粒不做該坐標(biāo)變換，讀取顆粒所在位置坐標(biāo)。

(2)利用速度三角形定律，計(jì)算出不同相位下的泵內(nèi)顆粒的瞬時(shí)相對(duì)速度w顆粒。

其中，l為顆粒運(yùn)動(dòng)的弧長(zhǎng)，m為高速攝影圖片拍攝時(shí)間順序的編號(hào)，式中m∈[2,n-1]，l(m-1,m+1)為第m-1張高速攝影圖片至第m+1張高速攝影圖片的兩個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)的弧長(zhǎng)，w顆粒m為第m張高速攝影圖片內(nèi)該顆粒的瞬時(shí)相對(duì)速度。

步驟3.采用有限元計(jì)算軟件(fluent)對(duì)泵進(jìn)行清水過(guò)泵數(shù)值計(jì)算，處理出顆粒所在位置液流質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)速度w液體。

(1)采用fluent進(jìn)行泵清水過(guò)泵的數(shù)值計(jì)算，設(shè)置其初始條件和邊界條件與實(shí)際試驗(yàn)條件相符。

(2)利用cfd-post進(jìn)行后處理，將2中處理得到的顆粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)錄入，如圖5所示。讀取并導(dǎo)出顆粒所在點(diǎn)液流質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)速度w液體。

步驟4.根據(jù)韋伯分布，建立w顆粒與w液體的關(guān)系式。

顆粒固液兩相流中，固相介質(zhì)與液相介質(zhì)速度并不相同，現(xiàn)以液相速度表達(dá)出固相顆粒的速度，根據(jù)韋伯分布定義：

其中，δw為顆粒滑移速度，a為假設(shè)的計(jì)算參數(shù)，與顆粒的密度ρ、顆粒所在過(guò)水?dāng)嗝嬷睆絛m有關(guān)，b為假設(shè)的修正系數(shù)，k為常數(shù)。

步驟5.求解各項(xiàng)參數(shù)，基于液流質(zhì)點(diǎn)速度建立顆粒速度計(jì)算公式。

(1)將2中顆粒各坐標(biāo)點(diǎn)的瞬時(shí)相對(duì)速度w顆粒，顆粒的密度ρ、顆粒所在過(guò)水?dāng)嗝嬷睆絛m，以及3中導(dǎo)出的顆粒所在位置的液流質(zhì)點(diǎn)相對(duì)速度w液體導(dǎo)入matlab，

(2)將各項(xiàng)參數(shù)的表達(dá)式或值求出，可以得到：

①a∈(2.297,7.358)；

②k＝2.5，k∈(2.297,7.358)；

③密度為1.09g/mm³時(shí)，b＝1.406，

密度為1.2g/mm³時(shí)，b＝1.393，

密度為1.75g/mm³時(shí)，b＝1.352。

步驟6.顆粒運(yùn)動(dòng)速度與周?chē)后w質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度存在一定的速度差，這個(gè)速度差便是顆?；扑俣?，根據(jù)顆粒滑移速度定義，顆?；扑俣裙綖棣膚＝w顆粒-w液體，代入3中求得的w液體的值和5中w顆粒的計(jì)算公式，即可求得泵內(nèi)顆?；扑俣取?/p>