基于雙向耦合的吸沙泵外殼與葉片摩損仿真分析

田俊良,鄭泉*,劉和明

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.明光留香泵業(yè)有限公司，安徽 明光 239400)

基于雙向耦合的吸沙泵外殼與葉片摩損仿真分析

田俊良1,鄭泉1*,劉和明2

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.明光留香泵業(yè)有限公司，安徽 明光 239400)

為研究吸沙泵磨損機(jī)理，建立吸沙泵的三維幾何模型和兩相流模型，通過(guò)仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。分別采用單向和雙向流固耦合方法對(duì)建立的固液兩相流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)葉片及殼體相關(guān)區(qū)域的速度和壓力分布進(jìn)行分析。結(jié)果表明：固相粒子普遍集中在泵體內(nèi)緣，出口處固相分布多于進(jìn)口處；與單向耦合相比，雙向耦合更符合實(shí)際情況；摩擦磨損主要集中于泵體內(nèi)緣和葉片的工作面沿半徑方向外側(cè)；粒徑越大，固相分離現(xiàn)象越明顯，增加轉(zhuǎn)速使揚(yáng)程降低，但是轉(zhuǎn)速過(guò)低會(huì)使效率急劇下降。

吸沙泵；多相流；雙向耦合；磨損

吸沙泵作為一種特殊用泵應(yīng)用廣泛，但由于水、沙的磨損使其壽命縮短，因此有必要對(duì)復(fù)雜邊界條件下湍流結(jié)構(gòu)的影響和高濃度固相粒子對(duì)摩擦磨損機(jī)理進(jìn)行深入研究。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)泵的研究主要集中在水利特性、內(nèi)部流場(chǎng)瞬態(tài)水力激振特性下的流固耦合以及動(dòng)靜湍流場(chǎng)的非定常特性等方面，例如：文獻(xiàn)[1]采用發(fā)展的RN-S方程和液相/氣相界面跟蹤方法的單相空化模型數(shù)值求解技術(shù)，開(kāi)展利用空化數(shù)對(duì)離心泵的水力性能影響特性的數(shù)值研究；文獻(xiàn)[2]基于代數(shù)滑移混合物模型(algebraic slip model,ASM)模型，對(duì)三維不可壓縮定常流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算并采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法，確定最佳水力特性下轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)位置；文獻(xiàn)[3]分別考慮不耦合和耦合作用對(duì)泵流場(chǎng)內(nèi)部工作情況的影響；文獻(xiàn)[4]研究旋流泵輸送固液兩相流特性，證明旋流泵內(nèi)部?jī)上嗔鲃?dòng)符合畸變速度原理；文獻(xiàn)[5-7]針對(duì)泵內(nèi)部流場(chǎng)瞬態(tài)水力激振特性對(duì)軸流泵葉頂區(qū)空化流氣液混合區(qū)域密度變化、軸流泵的流量-揚(yáng)程曲線、空化特性及其誘導(dǎo)非定?？栈瘔毫γ}動(dòng)以及水泵液壓系統(tǒng)瞬態(tài)特性分別進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[8]針對(duì)兩相流下葉片磨損情況的復(fù)雜性，考慮不同固相體積分?jǐn)?shù)以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，得出葉輪磨損情況；文獻(xiàn)[9-10]使用二維渦方法研究離心泵葉輪和導(dǎo)葉(離心泵的轉(zhuǎn)能裝置)內(nèi)部的非定常壓力脈動(dòng)。研究成果主要集中于水泵類(lèi)產(chǎn)品，而對(duì)于吸沙泵這類(lèi)特殊用泵以及其泵體內(nèi)部和葉片摩擦磨損分析等方面尚未深入研究。

本文采用ANSYS和CFX對(duì)吸沙泵進(jìn)行耦合分析，研究不同工況下的速度場(chǎng)分布和壓強(qiáng)變化，并根據(jù)葉輪旋轉(zhuǎn)域以及殼體域的綜合分析得出相應(yīng)葉片和殼體受力情況，對(duì)可能出現(xiàn)的摩擦磨損以及葉片表面剝離情況做出預(yù)測(cè)，為葉片葉形優(yōu)化和偏角優(yōu)化提供參考[11-12]。

1 流固兩相流理論

本文模型采用水沙固液兩相流且將水看成不可壓縮流體、而沙子默認(rèn)為擬流體[13]，假設(shè)沙子外形成球形，粒徑固定不變且不發(fā)生相變。在 Eulerian 坐標(biāo)系下，采用混合代數(shù)滑移模型(mixture algebraic slip model,MASM)[14]，其中兩相連續(xù)方程為：

(1)

(2)

(3)

式中：ρm為混合密度；ρk為k相密度；Umj為混合相的混合平均速度;Xi(i=1,2,3)為歐拉坐標(biāo);αk為k相體積系數(shù)；Ukj為k相的平均速度。

兩相動(dòng)量方程為：

(4)

式中：Umi為混合相整體對(duì)流運(yùn)動(dòng)速度；pm為混合相動(dòng)壓；τmi、τTmi、τDmi分別為平均粘性應(yīng)力、紊動(dòng)應(yīng)力和擴(kuò)散應(yīng)力;gi為附加質(zhì)量力系數(shù);Fki為k相所受的作用力。

相對(duì)速度方程為：

(5)

式中：Ucpi為相間的相對(duì)速度；mp為混合相質(zhì)量。

2 吸沙泵模型與邊界條件

2.1幾何與網(wǎng)格模型

基于Catia軟件對(duì)吸沙泵進(jìn)行實(shí)體建模，并將三維模型導(dǎo)入CFX軟件中建立流體模型[15-18]。吸沙泵的額定轉(zhuǎn)速為750 r/min、葉片數(shù)為4、進(jìn)口直徑和出口直徑均為406 mm，揚(yáng)程為14 m，流量為750 m3/h,配套電機(jī)功率為60 kW，設(shè)沙子密度為2 650 kg/m3，吸沙泵的模型如圖1a)所示，殼體域與旋轉(zhuǎn)域如圖1b)所示?；贗CEM軟件對(duì)流體域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，外殼域選擇四面體網(wǎng)格，如圖2a)所示，旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用了六面體網(wǎng)格劃分，如圖2b)所示，并在外殼域表層和細(xì)小尖角區(qū)域網(wǎng)格加密，共產(chǎn)生1 325 487個(gè)網(wǎng)格，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量檢查，殼體域與旋轉(zhuǎn)域的綜合網(wǎng)格平均值為0.789，標(biāo)準(zhǔn)差為0.188，符合網(wǎng)格質(zhì)量要求。

圖1 吸沙泵模型與內(nèi)部流模型示意圖 圖2 流體域網(wǎng)格

2.2邊界條件與算法

圖3 試驗(yàn)與模擬的揚(yáng)程-流量關(guān)系對(duì)比

外殼壁面與葉輪壁面采用無(wú)滑移的邊界條件，采用速度入口和自由壓力出口；在壓力與速度耦合上，采用RNGk-ε湍流模型[19-21]進(jìn)行求解；對(duì)流區(qū)域的空間離散采用一階迎風(fēng)格式；為了簡(jiǎn)化計(jì)算，認(rèn)為所有固相顆粒均是相同固定直徑的球形顆粒物；各個(gè)控制方程方根RMS殘差格式的收斂依據(jù)是10-5。在數(shù)值模擬計(jì)算中，控制方程采用MSAM模型；計(jì)算采用Double精度，基礎(chǔ)時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為2×10-4s；在收斂比較困難的部分，適當(dāng)減小時(shí)間步長(zhǎng)，加快收斂。

2.3外工作特性

為了驗(yàn)證上述模型以及邊界條件的設(shè)置準(zhǔn)確性，以單相清水為介質(zhì)，開(kāi)展試驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)兩種耦合方式的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果得出不同流量下?lián)P程外特性曲線，并與試驗(yàn)揚(yáng)程曲線進(jìn)行對(duì)比[19-21]，如圖3所示。由圖3可知：數(shù)值模擬計(jì)算揚(yáng)程與試驗(yàn)結(jié)果誤差較小，均不超過(guò)6%，因此模型是可信的。

3 吸沙泵仿真分析

3.1不同粒徑下速度場(chǎng)分布

在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，當(dāng)工作介質(zhì)采用不同粒徑的沙子與水組成的固液兩相混合物時(shí)，泵腔內(nèi)的速度矢量分布如圖4所示(圖中數(shù)字單位為m/s)。

圖4 不同粒徑沙相速度矢量圖

由圖4可知：無(wú)論是單向還是雙向耦合，不同粒徑沙相的運(yùn)行軌跡及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)基本相似，且具有幾乎相等的最大速度；泵體內(nèi)輪緣處沙的速度比內(nèi)部輪轂速度快，且在高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)離心力作用下，泵體內(nèi)緣沙質(zhì)速度流線隨粒徑增大而集中，且轉(zhuǎn)速偏高區(qū)域的面積逐漸增大，這表明在該區(qū)域固相顆粒粒徑越大對(duì)于泵體的磨損越嚴(yán)重。出口處壓力大，水沙混合物隨葉輪運(yùn)行到出口處受壓形成漩渦；隨著粒徑增大，沖擊能力增強(qiáng)，漩渦現(xiàn)象反而明顯減弱。通過(guò)對(duì)不同耦合方式的結(jié)果對(duì)比分析可以看出，渦旋位置分布以及出口段速度分布規(guī)律基本相同。隨著粒徑增加，葉輪工作背面速度大于工作正面，部分沙速度流線從葉輪工作背面向葉輪工作正面遷移，與工作背面相比，固相顆粒對(duì)于工作面磨損幾率明顯增大。

由此得知：粒徑的改變對(duì)于單向耦合和雙向耦合作用的整體差異影響不大，但在出口、隔舌、高低速運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)和泵體輪緣的速度變化比較明顯；且與單向耦合作用相比，雙向耦合作用流線更為紊亂，這是因?yàn)榭紤]了葉輪振動(dòng)以及流體對(duì)葉輪的作用反饋。

圖5 設(shè)計(jì)流量下葉輪壓強(qiáng)分布

3.2不同轉(zhuǎn)速下壓強(qiáng)分析

通過(guò)對(duì)速度場(chǎng)分析可知，在離心段外圈貼合泵體內(nèi)邊緣處速度比較大，則易存在較大的摩擦磨損；而葉片區(qū)域沙流速度變化不顯著。采用固相粒徑為0.01 mm沙子和水混合，在混合相中沙子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，其壓強(qiáng)分布結(jié)果如圖5所示(單位為MPa)。由圖5可知：工作背面的壓強(qiáng)普遍小于工作正面；沿著工作正面壓強(qiáng)分布往外擴(kuò)展，而在入口處附近葉片的工作背面，則出現(xiàn)了小范圍的相對(duì)負(fù)氣壓，因而此處極易發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，附近葉輪固體壁面在局部溫度和局部壓強(qiáng)的反復(fù)作用下被剝蝕。

圖6 兩種耦合方式下0.01 mm粒徑壓強(qiáng)分布圖

對(duì)葉片工作正面輪緣附近選一點(diǎn)(即圖5中的A點(diǎn))進(jìn)行壓強(qiáng)分析，如圖6所示。由圖6可知：雙向耦合方式下某點(diǎn)壓強(qiáng)隨轉(zhuǎn)速增加而增加(轉(zhuǎn)速和流量在效率不變、粘度不大的情況下成正相關(guān))，而單向耦合得到的該點(diǎn)壓強(qiáng)在各個(gè)轉(zhuǎn)速下均大于雙向耦合。隨轉(zhuǎn)速增大，揚(yáng)程下降，而沙泵的效率先增大后減小，且壓強(qiáng)逐漸增大，使葉片沿半徑方向工作表面磨損加劇，因而實(shí)際工作時(shí)均是選擇合適的轉(zhuǎn)速，這樣既保證了合適的揚(yáng)程，又可以使沙泵的磨損情況比較理想。而對(duì)于粒徑為0.1 mm和1 mm下該點(diǎn)的壓強(qiáng)分布，也滿足圖6的分布規(guī)律。

4 結(jié)論

1)離心作用使固相粒子普遍集中在泵體內(nèi)緣，出口處固相分布多于進(jìn)口處，出口易磨損；考慮雙向耦合的情形下，離心區(qū)域的流道分布更加紊亂，在出口、隔舌和離心區(qū)域產(chǎn)生的渦旋對(duì)于內(nèi)部流道產(chǎn)生較大影響。

2)離心泵轉(zhuǎn)速的提高導(dǎo)致流量增加，對(duì)于隔舌的最大壓強(qiáng)持續(xù)增大，且隨粒徑的增加最大壓強(qiáng)有所波動(dòng)，不利于改善隔舌磨損；葉片工作面固相分布多于工作背面，對(duì)于進(jìn)口處附近的葉片極易產(chǎn)生氣蝕，長(zhǎng)期會(huì)導(dǎo)致葉片剝離，且壓強(qiáng)逐漸增大使得葉片沿半徑方向工作表面磨損加劇。

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SimulationAnalysisofFrictionLossofPumpSuctionSandShellandBladeBasedonTwo-WayCoupling

TIANJunliang1,ZHENGQuan1*,LIUHeming2

(1.CollegeofTechnology,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036,China；2.MingguangLiuxiangPumpCo.,Ltd.,Mingguang239400,China)

In order to study the mechanism of the sand suction pump wear, the three-dimensional geometric model and two-phase flow model of the sand suction pump is established and the accuracy of the models through the comparison of simulation data and experimental data is verified. The unidirectional and bidirectional fluid-solid coupling methods are adopted respectively to make the numerical simulation of the established solid-liquid two-phase flow model, the velocity and pressure distribution of the relevant area of the blade and shell is analyzed. The results show as follows. The solid phase particles are generally focused on the inner edge of the pump body, more solid phase distribution at the exit than that at the inlet. Compared with the one-way coupling, the two-way coupling is more in line with the actual situation. The friction and wear are mainly concentrated on the inner edge of the pump body and the blade working face along the radius direction of the lateral. The bigger the particle is, the more obvious the solid phase separation phenomenon is. The rotating speed increase lowers the head, but the low speed drops sharply in efficiency.

sand suction pump; multiphase flow; two-way coupling; friction loss

TH117.1

：A

：1672-0032(2017)03-0088-06

(責(zé)任編輯：郎偉鋒)

2016-10-10

安徽省重點(diǎn)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(1704a0902045)

田俊良(1989—)，男，合肥人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榱黧w力學(xué)，E-mail:junliang106@163.com.

*通訊作者：鄭泉(1970—)，女，安徽蕪湖人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)，E-mail:wangww0618@163.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.03.014