污水自吸泵固液兩相流非定常研究

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(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.浙江工業(yè)大學(xué) 之江學(xué)院，浙江 紹興 312030)

自吸泵由于其良好的自吸性能，在電力、能源、國(guó)防、石化及市政等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于污水中含有雜質(zhì)，污水自吸泵內(nèi)部流動(dòng)為復(fù)雜的兩相流。國(guó)外學(xué)者對(duì)兩相流的研究較早，Morsi等[1]采用接近標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)—雷諾茲數(shù)關(guān)系表達(dá)式對(duì)一維兩相流動(dòng)給出了解析解。Drew[2]運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法考察了分散兩相流的共同特征，為顆粒速度及軌跡的預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。 Stewart等[3]系統(tǒng)介紹了兩相流的各種模型及計(jì)算方法和模型的選用原則，對(duì)模型的實(shí)際應(yīng)用提供了參考。Manninen等[4]對(duì)Mixture模型方程進(jìn)行推導(dǎo)并仔細(xì)分析了該方程的有效性。

在兩相流的應(yīng)用方面，張生昌等[5]將氣液兩相流應(yīng)用于單向球閥動(dòng)態(tài)特性的研究。國(guó)內(nèi)對(duì)于泵內(nèi)固液兩相流的研究起步較晚，但取得了豐碩的成果。趙天成等[6]對(duì)兩相流泵設(shè)計(jì)中兩相流動(dòng)的最低極限速度的選擇和確定原則進(jìn)行了介紹。陳紅生等[7]研究了固液兩相流離心泵磨損機(jī)理得出葉輪出口附近的射流-尾流結(jié)構(gòu)是離心泵局部磨損的重要原因。吳玉林等[8]運(yùn)用大渦模擬對(duì)泵內(nèi)固液兩相流態(tài)進(jìn)行了深入研究，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)吻合。楊敏官等[9-13]從不同角度對(duì)離心泵內(nèi)固液兩相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了固液兩相在離心泵內(nèi)的分布情況及流動(dòng)特性。李昳等[14-18]研究了固液兩相流泵的磨損特性，對(duì)過流部件產(chǎn)生磨損的部位及原因進(jìn)行了分析，為抗磨損性能提供了依據(jù)。劉厚林等[19]研究了顆粒直徑、顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)雙流道泵內(nèi)固液兩相流動(dòng)的影響。崔巧玲等[20]對(duì)非定常條件下固相顆粒對(duì)雙流道泵的磨損性能的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)流道內(nèi)壓力分布的周期性。黃思等[21]等基于DPM模型結(jié)合半經(jīng)驗(yàn)?zāi)p模型，得到泵內(nèi)固體顆粒群的運(yùn)動(dòng)軌跡和材料磨損率的分布規(guī)律。目前，對(duì)泵內(nèi)固液兩相流動(dòng)的研究多為6 葉片的普通離心泵，然而對(duì)雙葉片泵在非定常條件下的固液兩相流動(dòng)的研究較少，筆者在考慮腔體流體域?qū)上嗔鲃?dòng)的影響基礎(chǔ)上，對(duì)污水自吸泵在非定常條件下進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)污水自吸泵內(nèi)顆粒分布隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 計(jì)算模型和方法

1.1 計(jì)算模型與網(wǎng)格

選取的計(jì)算模型為65zw30-40，計(jì)算域主要包括葉輪、渦室、前蓋板、后蓋板、腔體、吸入段以及進(jìn)、出口管段，如圖1所示。設(shè)計(jì)參數(shù)：流量Q=30 m3/h，揚(yáng)程H=40 m，轉(zhuǎn)速n=2 900 r/min。模型的主要幾何參數(shù)如表1所示。

圖1 污水自吸泵計(jì)算域Fig.1 Calculation domain of sewage self-priming pump

表1 葉輪模型幾何參數(shù)Table 1 Geometry parameters of model

圖2 計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Calculation grid

采用專業(yè)的網(wǎng)格劃分軟件ICEM對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了兼顧網(wǎng)格數(shù)量與質(zhì)量，進(jìn)口段、吸入段、出口段和前后蓋板等采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，葉輪、渦室和腔體由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)葉片頭部、渦室隔舌和腔體等局部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理來捕捉流動(dòng)特征。網(wǎng)格經(jīng)過光順后質(zhì)量控制在0.3以上，計(jì)算域網(wǎng)格如圖2所示。

1.2 計(jì)算方法與條件

采用Fluent軟件對(duì)污水自吸泵進(jìn)行固液兩相流非定常模擬，選用RNGk—ε雙方程模型為湍流模型，以Mixture模型為兩相流模型。Mixture模型有著廣泛的應(yīng)用范圍，文獻(xiàn)[4]中明確表明Mixture模型適用于各相運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)的情況，尤其適用于當(dāng)粒子弛豫時(shí)間較短時(shí)，密度差較大且離散相分?jǐn)?shù)較大的情形。陳次昌等[10]研究了低比轉(zhuǎn)速離心泵葉輪內(nèi)不同粒徑及濃度條件下固相體積分?jǐn)?shù)的分布規(guī)律，劉厚林等[19]對(duì)雙流道泵內(nèi)固液兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬，崔巧玲等[20]對(duì)雙流道泵內(nèi)固液兩相流動(dòng)進(jìn)行了葉輪蝸殼耦合數(shù)值計(jì)算，采用Mixture多相流模型進(jìn)行研究均得到了滿意的結(jié)果。因此，使用Mixture多相流模型進(jìn)行污水自吸泵內(nèi)固液兩相流研究可以得到預(yù)期結(jié)果。

兩相流動(dòng)中，液相為清水，為簡(jiǎn)化計(jì)算，固相設(shè)置為均質(zhì)的球型沙粒。進(jìn)口邊界條件設(shè)置為速度入口，速度方向垂直于入口邊界，且假設(shè)入口處沙粒與清水有相同的速度，出口邊界定義為自由出流。葉輪處的壁面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，其余部分的壁面設(shè)置為無滑移壁面，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。為使計(jì)算可以更好地進(jìn)行，可以適當(dāng)減小亞松弛因子，收斂精度為0.000 1。計(jì)算時(shí)間選取一個(gè)周期，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為T/6，單步迭代次數(shù)2 000 次。

2 數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

2.1 污水自吸泵內(nèi)流場(chǎng)研究

主要研究非穩(wěn)態(tài)條件下，污水自吸泵內(nèi)固液兩相的流動(dòng)及分布規(guī)律。為了更清楚地顯示沙粒在自吸泵內(nèi)的分布情況，假設(shè)入口處沙粒的體積分?jǐn)?shù)為10%，沙粒的密度為2 500 kg/m3，沙粒的直徑設(shè)為0.15 mm，通過對(duì)一個(gè)周期內(nèi)污水自吸泵的分析計(jì)算，得到固液兩相在污水自吸泵內(nèi)的流動(dòng)及分布規(guī)律。

2.1.1 沙粒在污水自吸泵內(nèi)的分布規(guī)律

從圖3可以看出：在葉輪入口處沙粒分布較集中，尤其在葉片頭部沙粒的體積分?jǐn)?shù)較大，說明此處也是沙粒聚集的部位。葉片吸力側(cè)的沙粒體積分?jǐn)?shù)明顯高于葉片壓力側(cè)，其主要原因：葉片吸力側(cè)的壓力較小，而壓力側(cè)處于高壓區(qū)，在壓差的作用下沙粒向吸力側(cè)匯集。在葉片吸力側(cè)，沿葉輪流道從入口到出口，沙粒的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，越接近出口側(cè)沙粒所受離心力的作用越強(qiáng)，在葉片尾部沙粒的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值。葉輪與渦室的交界面處靠近葉片吸力側(cè)的沙粒體積分?jǐn)?shù)較大，而靠近葉片壓力側(cè)的沙粒的體積分?jǐn)?shù)則較小。腔體沙粒主要分布于外緣，由于腔體內(nèi)的空間較大，因此從渦室進(jìn)入腔體之后，沙粒的運(yùn)動(dòng)減緩，在腔體內(nèi)的分布比較均勻。隨著時(shí)間的推移，葉片尾部沙粒體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，葉輪轉(zhuǎn)過一個(gè)周期之后，葉片吸力側(cè)的沙粒分布變得較為均勻；葉片壓力側(cè)的沙粒體積分?jǐn)?shù)在逐漸增加，且作用范圍沿葉片出口到入口逐漸增大。渦室外緣沙粒體積分?jǐn)?shù)較高的區(qū)域隨葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)做圓周運(yùn)動(dòng)，渦室內(nèi)的沙粒分布也在趨于均勻化。由于沙粒從渦室進(jìn)入腔體時(shí)，流動(dòng)空間增大，流速減小使得在泵體內(nèi)部沙粒的分布相對(duì)較為均勻，且基本不隨時(shí)間發(fā)生變化。

圖3 沙粒在污水自吸泵分布圖Fig.3 Distribution graph of sand grains in sewage self-priming pump

2.1.2 污水自吸泵內(nèi)流動(dòng)規(guī)律

圖4為葉輪與渦室在一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)刻的中截面流線圖，葉片吸力側(cè)，沿流動(dòng)方向流線分布較為均勻，且流體流動(dòng)的速度也基本一致，然而在葉輪與渦室交界面，葉片尾緣處流動(dòng)的速度達(dá)到最大，且在沿著圓周方向的小范圍區(qū)域流動(dòng)的速度保持在最大值附近，其余區(qū)域流動(dòng)的速度較小。中截面處渦室內(nèi)流動(dòng)速度較葉輪內(nèi)部流體速度大，渦室內(nèi)從渦室與葉輪交界面處沿徑向方向流動(dòng)速度逐漸減小，在渦室出口段左側(cè)流線分布稀疏且流動(dòng)的速度較小，右側(cè)的流線分布稠密，速度較大，渦室出口處流體主要沿右側(cè)流動(dòng)。葉輪流道內(nèi)沿葉輪周向，從葉片吸力側(cè)到壓力側(cè)流線由密到疏，速度也相應(yīng)的從大變小；沿流動(dòng)方向，葉片壓力側(cè)接近入口部分存在一小范圍區(qū)域，該區(qū)域流動(dòng)的速度較大，且流線的分布較密。隨著時(shí)間的推移，流線發(fā)生變化，在葉片出口處流線分布較密且速度較大的區(qū)域也隨著葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。葉輪流道內(nèi)在葉片吸力側(cè)與壓力側(cè)之間形成的漩渦區(qū)域隨葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，漩渦頭部變得越扁越尖，原因在于葉片吸力側(cè)與壓力側(cè)的壓差在逐漸增大，在壓差的作用下使渦的形狀發(fā)生了變化。

圖4 葉輪與渦室中截面流線圖Fig.4 Streamline of middle section in impeller and volute chamber

2.1.3 渦室軸截面顆粒分布規(guī)律

從圖5可以看出：在渦室各軸面沙粒體積分?jǐn)?shù)較高的區(qū)域位于渦室外緣靠近葉輪前蓋板側(cè)，靠近前蓋板側(cè)的沙粒的體積分?jǐn)?shù)明顯高于靠近后蓋板側(cè)。其主要原因：固液兩相經(jīng)過葉輪旋轉(zhuǎn)做功能量增加，從葉輪出口進(jìn)入渦室，此時(shí)的葉輪出口處位于高壓區(qū)，葉輪進(jìn)口處位于低壓區(qū)，在壓差作用下部分沙粒和清水通過葉輪與渦室之間的間隙重新回流到葉輪入口處。在渦室外緣靠近葉輪前蓋板的小部分區(qū)域形成滯留區(qū)，沙粒在此處滯留，此處的沙粒的體積分?jǐn)?shù)較高。從各軸面的流線圖也可以看出，當(dāng)固液兩相由葉輪進(jìn)入渦室之后，流動(dòng)方向一分為二，一部分向著靠近前蓋板側(cè)流動(dòng)，另一部分則向著靠近后蓋板側(cè)移動(dòng)，受前后蓋板間隙的影響，固液兩相會(huì)通過此間隙發(fā)生回流。在回流的同時(shí)，一部分沙粒會(huì)隨著流動(dòng)到達(dá)渦室的外緣部分，并在此處發(fā)生匯集。因此，渦室外緣的沙粒的體積分?jǐn)?shù)與比渦室內(nèi)。隨著時(shí)間的推移，渦室外緣的沙粒的分布越來越均勻，葉輪與渦室交界面處的沙粒也在向渦室外緣流動(dòng)，沙粒在渦室內(nèi)的分布也逐漸趨于穩(wěn)定。在一個(gè)周期內(nèi)的不同時(shí)間各軸面流線的形狀與疏密程度也不同，說明在不同的時(shí)間內(nèi)渦室內(nèi)部的流場(chǎng)也在不斷變化。

圖5 渦室軸面流線圖Fig.5 Axial streamline of volute chamber

2.2 顆粒直徑對(duì)自吸泵內(nèi)流場(chǎng)的影響

以顆粒直徑為影響因素，在設(shè)計(jì)工況下，當(dāng)顆粒直徑d分別為0.05，0.10，0.15，0.20 mm時(shí)，對(duì)污水自吸泵進(jìn)行固液兩相流模擬，得到不同顆粒直徑下，污水自吸泵內(nèi)的固液兩相流動(dòng)規(guī)律。如圖6所示，泵內(nèi)流體速度最大值位于葉輪出口與渦室入口交界面處，抽送清水時(shí)，流體速度的最大值為18.25 m/s；抽送的流體為含沙粒的污水時(shí)，污水的最大流速比清水要小。當(dāng)顆粒直徑增加時(shí)，污水在自吸泵內(nèi)的最大流速逐漸減小，當(dāng)顆粒直徑d=0.20 mm時(shí)，污水的速度降至最低16.21 m/s。抽送污水時(shí)，由于沙粒的存在，污水在泵內(nèi)的流動(dòng)阻力增加，動(dòng)能減小，速度逐漸減小，沙粒直徑越大速度下降越大。抽送清水時(shí)，流線在泵體底部分布較密，且此處流體的局部速度較大；抽送污水時(shí)，流線在泵體底部分布稀疏，且顆粒直徑越大流線的曲率越小，流線的變化越緩，此處流體的局部速度也越小。

圖6 不同顆粒直徑下污水自吸泵軸面流線圖Fig.6 Axial streamline of sewage self-priming pump under different particle diameters

2.3 沙粒對(duì)污水自吸泵性能的影響

離心泵的性能會(huì)受到多種因素的影響，鄭水華等[22]以首級(jí)葉輪為影響因素，分析了其對(duì)筒袋泵水力性能造成的影響，張生昌等[23]分析了吸入壓力對(duì)往復(fù)式油氣混輸泵外特性的影響。污水自吸泵內(nèi)的流動(dòng)為復(fù)雜的兩相流動(dòng)，與輸送清水相比，由于固體顆粒的物性與清水不同，固液兩相之間的相互作用，使泵內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，流場(chǎng)也隨之變化，宏觀表現(xiàn)為泵的外特性及揚(yáng)程和效率發(fā)生改變。對(duì)污水自吸泵在0.4Q，0.6Q，0.8Q，1.0Q，1.2Q工況下進(jìn)行數(shù)值模擬得到的Q—H曲線和Q—η曲線，如圖7所示。當(dāng)輸送的介質(zhì)中含有固體顆粒時(shí)，自吸泵的揚(yáng)程與效率明顯下降。在小流量情工況下，固體顆粒對(duì)泵揚(yáng)程的影響占主導(dǎo)地位，當(dāng)流量增加時(shí)，泵的揚(yáng)程基本保持不變，與清水泵的揚(yáng)程和流量之間的變化規(guī)律不同。在設(shè)計(jì)工況下，污水自吸泵與清水泵相比揚(yáng)程降低5.43%，效率降低4.73%.在0.4Q，0.6Q，0.8Q，1.2Q工況下泵的揚(yáng)程分別降低13.6%，11.6%，8.5%，6%，效率分別降低8.7%，5.2%，6.3%，4.1%.0.4Q工況下泵的揚(yáng)程和效率下降幅度最大，泵的性能明顯變差，因此污水自吸泵不宜在小流量工況下運(yùn)行。

圖7 污水自吸泵 Q—H和 Q—η曲線Fig.7 Q -H curve and Q -η curve of sewage self-priming pump

3 結(jié) 論

采用Mixture多相流模型和RNGk—ε模型對(duì)包含腔體流體域在內(nèi)的污水自吸泵全流體域進(jìn)行了固液兩相流非定常計(jì)算，計(jì)算結(jié)果給出了固體顆粒在污水自吸泵內(nèi)的分布情況以及一個(gè)周期內(nèi)隨時(shí)間的變化情況。葉輪處固體顆粒主要分布在葉片吸力側(cè)，葉輪入口及葉片尾緣處；渦室內(nèi)固體顆粒分布在外緣接近葉輪前蓋板側(cè)，且隨著時(shí)間的增加固體顆粒的分布逐漸變得均勻、穩(wěn)定；腔體處固體顆粒在外緣處體積分?jǐn)?shù)較大，內(nèi)部分布較為均勻，且基本不隨時(shí)間變化。自吸泵內(nèi)清水流速的最大值較抽送污水時(shí)大，且隨沙粒直徑的增大，污水自吸泵內(nèi)流體的流動(dòng)阻力逐漸增加，最大速度逐漸減小，流線的曲率也逐漸增大，流線變化變緩。通過與輸送清水時(shí)自吸泵的性能曲線進(jìn)行比較，輸送污水時(shí)泵的性能將會(huì)下降，尤其在小工況下運(yùn)行時(shí)，污水自吸泵的性能受固體顆粒的影響較大。局限在于未討論固體顆粒對(duì)污水自吸泵的磨損特性，此后可以對(duì)固體顆粒對(duì)污水自吸泵磨損特性隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行研究分析。