基于混合模型方法的环形喷射泵多相流数值模拟与验证研究

本研究针对采矿行业浆体管道输送中的多相流复杂动力学问题，采用CFD混合模型(Mixture Model)模拟环形喷射泵(AJP)内浆体行为，探究了颗粒尺寸、浓度、喷嘴收敛角等参数对泵吸力和压力分布的影响。通过Realizable k-ε湍流模型和实验验证，证实该设计能实现高效浆体输送，为工业应用中的流体-颗粒相互作用提供了新见解。

　　

在采矿、疏浚和石油生产等行业中，浆体管道输送一直面临着巨大挑战。固体颗粒与载液之间的复杂相互作用，使得传统的输送系统效率低下且维护成本高昂。环形喷射泵(AJP)因其结构简单、无机械部件等优势，成为解决这一问题的潜在方案。然而，现有AJP设计在浆体输送效率、能量消耗和磨损控制等方面仍存在明显不足，亟需通过深入的多相流研究来优化其性能。

针对这一需求，国外研究团队在《Engineering Science and Technology, an International Journal》发表了一项创新性研究。该团队采用计算流体力学(CFD)中的混合模型(Mixture Model)方法，结合Realizable k-ε湍流模型，对AJP内的水-砂浆多相流进行了系统模拟。研究特别关注了颗粒尺寸、浓度、喷嘴几何参数等关键因素对泵性能的影响，并通过与文献数据的对比验证了模型的准确性。

研究采用了多项关键技术：1）基于有限元法(FEM)的CFD数值模拟；2）Realizable k-ε湍流模型用于捕捉复杂湍流结构；3）网格独立性分析确保结果可靠性；4）实验数据验证数值模型的准确性。这些方法的综合运用，为研究提供了可靠的技术支撑。

在"1. 引言"部分，作者系统回顾了浆体输送技术的发展历程，指出传统欧拉-拉格朗日(Eulerian-Lagrangian)和欧拉-欧拉(Eulerian-Eulerian)模型的局限性，并阐述了混合模型在处理高浓度浆体流动方面的优势。

"2. 数学模型"部分详细介绍了研究采用的混合模型控制方程，包括连续性方程、动量方程和相分数输运方程。特别值得注意的是，研究引入了Schiller-Naumann模型来描述相对速度，并采用Realizable k-ε模型处理湍流效应。

"3. 数值策略"部分展示了与文献数据的对比验证结果。研究发现，当前模型预测的压力降与Singh等人和Kaushal等人的实验数据吻合良好，误差小于2%，证实了混合模型在浆体流动模拟中的可靠性。

"4. 结果与分析"部分呈现了多项重要发现：

• 压力分布显示AJP喉部存在显著低压区，这是浆体吸入的关键区域；
• 速度分布表明喉部流速可达9.5 m/s，证实了有效的动量传递；
• 湍流动能(TKE)和湍流耗散率(TDR)分析揭示了能量转换和损失的关键区域；
• 比能耗(SEC)分析表明，随着初级流体流量增加，能量效率会有所下降。

研究还创新性地提出了模块化AJP设计，通过可更换喷嘴结构实现了材料优化和维护便利。这种设计不仅降低了生产成本，还提高了系统的适应性。

在"5. 结论"部分，作者总结了研究的核心发现：混合模型能准确预测AJP内的多相流行为；模块化设计显著提升了泵的实用性和经济性；湍流分析为优化设计提供了重要依据。这些成果为工业浆体输送系统的设计和优化提供了重要参考。

"6. 未来建议"部分展望了多个研究方向，包括采用大涡模拟(LES)等高级湍流模型、开展更系统的实验验证、研究非牛顿流体行为等。这些建议为后续研究指明了方向，有望进一步推动AJP技术的发展。

这项研究的重要意义在于：首次系统地将混合模型应用于AJP的浆体输送模拟，填补了该领域的技术空白；提出的模块化设计理念具有显著的工程应用价值；建立的研究方法为类似多相流问题的解决提供了范例。这些成果不仅对提升采矿等行业的浆体输送效率具有直接指导意义，也为相关设备的研发奠定了理论基础。