深海、深地资源开采中,固-液两相混输系统是非常重要的。系统中的弯头是控制输送方向必不可少的部件,而泵是系统的动力核心。由于输运介质中含有大量硬质固体颗粒,在运行过程中会撞击冲刷弯头内壁面和泵的过流部件,造成部件的材料磨损,从而危害整个混输系统的运行安全。由于,深海、深地设备安装、操作复杂,维修和更换成本高昂,对设备的耐磨损性能要求较高,因此,固-液两相流混输系统中弯头和泵内颗粒碰撞与磨损机理的研究具有重要的科学和应用价值。近年来,有关学者采用不同的方法研究了弯头磨损形成的机理,亦有不少学者研究了固-液两相流泵内过流部件磨损特性并探究了形成的机理。数值模拟作为一种重要的研究方法,可以获得实验中难以测量的数据,如颗粒的冲击速度和角度、流体对颗粒的各种作用力等,可以从微观角度分析各个因素对磨损的贡献,对磨损形成的机理问题的研究中起着关键性作用。但是,由于固-液两相流中,颗粒与流体强烈的相互影响,两相在质量、动量、湍流与能量均可能相互作用,这为构建精确的数值模型提出了诸多挑战。本研究将从这一角度出发,尝试建立精确可靠的固-液两相流数值模型,并对弯头和泵内颗粒产生的磨损特性和形成机理进行探索研究。本文基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamic,CFD)方法求解流场,离散元方法(Discrete Element Method,DEM)求解颗粒场,流场和颗粒场在欧拉-拉格朗日(Euler-Lagrange)框架下耦合,建立了两相之间的作用力和动量传递机制模型;基于RANS计算方法,通过对湍流速度的随机抽样来考虑速度脉动对颗粒运动的影响,通过在湍动能和湍流耗散方程中添加源项来考虑颗粒对湍流强度的影响;通过软件的应用程序编程接口(Application Programming Interface,API)嵌入磨损模型,并对比弯头磨损实验数据选择合适的磨损计算模型;建立了较为精确的基于CFD-DEM方法的固-液两相流及磨损预测数值模型,研究了颗粒尺寸、形状、浓度等颗粒特性和流速对90°弯头内壁和一款混流泵过流部件磨损的特性,主要研究工作和成果如下:(1)基于CFD-DEM方法建立了考虑颗粒与湍流相互作用的固-液两相流模型,对照Shigeo Hosokawa等人和Alajbegovic等人的实验,利用改进的CFD-DEM模型,计算管内颗粒与流体的速度分布和颗粒运动对湍流强度的影响,对比实验结果表明,模拟结果与实验结果基本一致,改进的CFD-DEM模型能准确计算固-液两相流动中流场分布和颗粒运动。另外,参照Zeng等人的磨蚀实验,建立对应的弯头几何模型,将E/CRC磨损和Oka磨损模型嵌入软件进行耦合计算,分别对比计算结果与Zeng等人的实验结果,选择能准确计算材料磨损的模型。结果表明,E/CRC模型针对液-固两相流动中磨损问题的计算更加准确。(2)研究了90°弯头内流体和颗粒运动特性。分析颗粒形状、尺寸、浓度等颗粒特性和流速对颗粒运动的影响,结果表明,弯头内颗粒团聚主要发生在75°-90°范围内,受到撞击的颗粒加速旋转,并在管内二次流的作用下延续到下游直管段,颗粒受流体作用力大小与颗粒-流体间相对速度关系较大。(3)研究了90°弯头内磨损特性与形成机理。结果表明,磨损量最大出现在弯头87°附近的位置。颗粒受流体曳力较大,基本在超过曲率角50°之后与壁面接触,对弯头的破坏形式以划擦切削为主。颗粒浓度越大,速度越大,弯头外壁磨损越严重,但磨损率增长速度随浓度增大而减小,随速度增大而增加。颗粒粒径越大,对流体的跟随性越差,与壁面越容易发生碰撞,管壁磨损越严重。(4)研究了一款混流泵内磨损特性与形成机理。针对自开发的两级混流泵,研究颗粒浓度、形状和不同流量工况对叶片磨损的影响,结果表明,首级叶轮和导叶叶片磨损程度较次级叶轮和导叶叶片磨损程度更加严重,叶轮叶片磨损主要发生在叶片工作面和后盖板交界处,导叶叶片磨损主要发生在叶片凹面和前盖板交界处。颗粒越光滑,流道内滞留颗粒数量越多,与叶片表面的碰撞频率越大,而叶片磨损程度越小。