固液兩相葉片圓盤泵蝸殼內(nèi)流動數(shù)值模擬*

周昌靜 陳國明 譚海東

(1.中國石油大學 a.化學工程學院；b.海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心；2.長春工業(yè)大學機電工程學院)

葉片圓盤泵由于葉輪葉片的軸向不連續(xù)，使其無堵塞、性能好，葉輪受磨損程度小，作為一種新型泵，目前越來越多的應用于市政、石油、化工、采礦及冶金等行業(yè)的難以實現(xiàn)泵送的場合，用于輸送含有固體顆粒的固液兩相或多相介質(zhì)[1，2]。由于其葉輪結(jié)構(gòu)的特殊性和輸送介質(zhì)的多樣性，固液兩相葉片圓盤泵內(nèi)部的流動極其復雜。文獻[3]根據(jù)葉片圓盤泵葉輪存在無葉區(qū)的特點通過泵內(nèi)固液兩相的流動模擬，對葉輪內(nèi)固液兩相流動規(guī)律和顆粒分布規(guī)律進行了分析。但對葉片圓盤泵蝸殼內(nèi)的固液兩相流動規(guī)律，還未見到有關(guān)的文獻報道。蝸殼作為泵的重要過流部件，其設(shè)計不合理常常會導致泵的運行效率低、葉輪所受徑向力大和局部磨損嚴重，造成能源和材料浪費[4，5]。筆者以一個固液兩相葉片圓盤泵為研究對象，對其內(nèi)部流動進行固液兩相工況下的數(shù)值模擬，將其內(nèi)部流動可視化，得到了蝸殼內(nèi)的速度、壓力和固相體積分數(shù)分布，并根據(jù)葉片圓盤泵的葉輪結(jié)構(gòu)特點對蝸殼流道內(nèi)的流動特征進行研究，為更好地實現(xiàn)葉片圓盤泵葉輪與蝸殼的匹配設(shè)計打下基礎(chǔ)。

1 葉片圓盤內(nèi)固液兩相流動的模擬

1.1 模型建立和網(wǎng)格劃分

數(shù)值計算所用模型泵葉輪結(jié)構(gòu)如圖1所示，特點是葉片在軸向不連續(xù)，流道較一般的離心泵要寬。葉輪外徑200mm，盤間距36mm，葉片高度13mm，采用環(huán)形蝸殼結(jié)構(gòu)。根據(jù)葉片圓盤泵葉輪葉片軸向不連續(xù)的特點，將葉輪無葉區(qū)和葉片區(qū)內(nèi)流動計算域分別建模，計算區(qū)域和網(wǎng)格如圖2所示。

圖1 圓盤泵葉輪

1.2 邊界條件

基于文獻[3]關(guān)于葉片圓盤泵內(nèi)固液兩相流動所作的假設(shè)，將單相流動的標準k-ε湍流模型擴展至多相湍流模型，將單相流的壓力速度耦合SIMPLEC算法擴展至多相流動中[6]，可對葉片圓盤泵內(nèi)的固液兩相流動進行數(shù)值模擬。

圖2 計算區(qū)域和網(wǎng)格

泵的進口采用穩(wěn)態(tài)、均相、軸向速度恒定的速度進口條件，由質(zhì)量守恒定律和進口無預旋的假設(shè)確定軸向速度，這里假定固液兩相在入口有相同的速度，同時假定進口截面濃度分布相同，給定來流速度、湍動能和耗散率的預估值。流道內(nèi)過流壁面上均采用無滑移壁面條件，采用標準壁面函數(shù)模擬近壁面的流動。泵的出口采用自由出流條件。

2 計算結(jié)果及分析

以粒徑為0.25mm、固相體積分數(shù)為10%的工況為例，對葉片圓盤泵蝸殼內(nèi)速度、壓力和顆粒固相體積分數(shù)分布規(guī)律進行分析。針對葉片圓盤泵葉輪不連續(xù)的特點，分別對葉輪無葉區(qū)和葉片區(qū)內(nèi)作出軸截面，z0表示葉輪中間截面，即無葉區(qū)中間截面，z0.5和z-0.5分別表示進口側(cè)從動盤和輪轂側(cè)主動盤葉片區(qū)中間軸截面(1/2葉高)，圖3為軸截面示意圖。

2.1 蝸殼軸截面內(nèi)速度分析

圖3 分析截面示意圖

圖4為蝸殼內(nèi)3個軸截面內(nèi)速度分布，可以看出，葉片區(qū)和無葉區(qū)所對應軸截面蝸殼內(nèi)速度明顯不同，蝸殼中間截面內(nèi)速度明顯低于葉片區(qū)所對截面內(nèi)速度，關(guān)于中間截面對稱的葉片區(qū)兩截面所對應的蝸殼內(nèi)速度分布基本一致，這與文獻[7]根據(jù)葉片圓盤泵葉輪內(nèi)葉片區(qū)和無葉區(qū)速度分布所分析的葉片圓盤泵工作機理相一致，即葉輪內(nèi)無葉區(qū)流體是在葉片區(qū)流體帶動下混合流入蝸殼的，所以蝸殼內(nèi)無葉區(qū)所對應截面內(nèi)速度要小于葉片區(qū)所對截面速度。3個截面內(nèi)沿徑向速度梯度明顯，速度隨蝸殼半徑增大而減小；在靠近隔舌處存在低速區(qū)，特別是葉片區(qū)所對應截面內(nèi)速度變化明顯，在蝸殼靠近擴散管出口區(qū)域存在高速區(qū)，這可能是由于在這兩處截面設(shè)計不合理、面積變化不均造成的，同時擴散管內(nèi)速度在擴散管隔舌側(cè)近壁面部分區(qū)域存在明顯的低速區(qū)，分析是擴散角與葉片圓盤泵葉輪不匹配造成的。

圖4 蝸殼軸截面速度分布

2.2 蝸殼軸截面內(nèi)壓力分析

從圖5蝸殼中3個軸截面的壓力分布可以看出，無葉區(qū)和葉片區(qū)所對應的軸截面蝸殼內(nèi)壓力變化不大，這與文獻[7]所得到的葉輪內(nèi)接近葉輪出口無葉區(qū)和葉片區(qū)壓力差別不大的結(jié)論是一致的。隨著蝸殼半徑的增大壓力基本上呈不斷增加，從隔舌開始沿順時針方向壓力也不斷增加，在蝸殼擴散管段壓力不斷升高，說明蝸殼擴散管段起到了降速擴壓的效果。在靠近隔舌和擴散管處存在局部的低壓區(qū)，這與圖4中的速度分布相對應。

圖5 蝸殼軸截面壓力分布

2.3 蝸殼軸截面內(nèi)固相體積分數(shù)分析

圖6為蝸殼內(nèi)固相體積分數(shù)的分布，可以看出，與葉輪無葉區(qū)相對應的蝸殼截面內(nèi)固相體積分數(shù)要遠遠大于葉片區(qū)所對應的截面內(nèi)固相體積分數(shù)，這與圖7所示的葉輪內(nèi)內(nèi)顆粒分布相關(guān)。由圖7可以看到葉輪內(nèi)無葉區(qū)的固相體積分數(shù)遠遠大于葉片區(qū)內(nèi)的固相體積分數(shù)，說明葉輪內(nèi)固相顆粒主要經(jīng)無葉區(qū)內(nèi)流出進入蝸殼，導致蝸殼與葉輪無葉區(qū)相對應軸截面內(nèi)顆粒體積分數(shù)大于葉輪葉片區(qū)所對應截面內(nèi)體積分數(shù)。徑向上顆粒體積分數(shù)沿蝸殼也存在梯度，越靠近蝸殼流道壁顆粒濃度越高，這與蝸殼內(nèi)的速度分布相關(guān)，如前面分析的與無葉區(qū)相對應部分的流體速度和靠近流道壁處流體速度相對較小，因而固相顆粒受液相帶動的影響較小，所以在與無葉區(qū)所對應的的蝸殼壁面附近固相體積分數(shù)最大。

圖6 蝸殼軸截面固相體積分數(shù)分布

圖7 葉輪內(nèi)不同半徑環(huán)接截面固相體積分數(shù)分布

3 結(jié)束語

通過對葉片圓盤泵內(nèi)固液兩相流動的數(shù)值計算，實現(xiàn)了葉片圓盤泵蝸殼內(nèi)流動模擬，根據(jù)葉片圓盤泵葉輪存在無葉區(qū)的特點，分析得到蝸殼內(nèi)葉輪葉片區(qū)和無葉區(qū)所對應軸截面內(nèi)部流動特征，同時根據(jù)蝸殼內(nèi)流動發(fā)現(xiàn)蝸殼中存在設(shè)計不合理截面。為后續(xù)葉片圓盤泵與不同蝸殼的匹配、蝸殼內(nèi)流動的進一步分析打下基礎(chǔ)，對葉片圓盤泵的性能優(yōu)化具有重要參考價值。

參考文獻

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