顆粒濃度對(duì)固液泵工作性能影響分析

高帥帥 姬長(zhǎng)發(fā) 吳亮亮

(西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

固液兩相離心泵由于具有耗電量大、噪聲較大、局部磨損嚴(yán)重和運(yùn)行效率較低等缺點(diǎn)，導(dǎo)致了嚴(yán)重的能源的浪費(fèi)。清華大學(xué)吳玉林等[1]實(shí)驗(yàn)研究了泵中固體顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)數(shù)值模擬了泵中葉輪內(nèi)的流動(dòng)情況，并將數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)做了對(duì)比。李映舉，李鳳琴[2]應(yīng)用RNG k-ε湍流模型以及離散相模型進(jìn)行了離心泵內(nèi)部固液兩相流場(chǎng)數(shù)值模擬。周昌靜[3]應(yīng)用FLUENT軟件模擬了圓盤(pán)泵內(nèi)不同固相體積分?jǐn)?shù)和不同粒徑顆粒對(duì)圓盤(pán)泵揚(yáng)程和效率的影響及固相在圓盤(pán)泵內(nèi)的分布規(guī)律。許洪元[4,5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同濃度和不同粒徑的泥沙對(duì)泥漿泵的影響，并且分析了其對(duì)泥漿泵外特性的影響，進(jìn)一步分析了固液兩相分層機(jī)理。馬振宗[6]和陳漣[7]實(shí)驗(yàn)研究了不同顆粒直徑、濃度和密度對(duì)清水泵的外特性的影響及其固體顆粒在泵內(nèi)的分布規(guī)律和流動(dòng)規(guī)律。固液泵在社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐中一直由于固體物質(zhì)的存在和磨損問(wèn)題比較嚴(yán)重，導(dǎo)致其工作效率低，因此非常有必要對(duì)固液兩相泵進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

本文通過(guò)采用CFD軟件對(duì)固液泵內(nèi)部進(jìn)行模擬計(jì)算，分析不同濃度下，顆粒對(duì)固液泵性能的影響，并進(jìn)一步分析固液泵內(nèi)固相顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。為設(shè)計(jì)出運(yùn)行穩(wěn)定、性能高的固液泵提供一定的理論參考。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 流動(dòng)控制方程

本文選用歐拉模型的多相流模型進(jìn)行離心泵內(nèi)固液兩相的計(jì)算。

質(zhì)量守恒的公式如下：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

(3)

(4)

其中，grad()=?()/?x+?()/?y+?()/?z;Su,Sv,Sw為動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)，Su=Fx+Sx，Sv=Fy+Sy，Sw=Fz+Sz，F(xiàn)x,Fy和Fz為微元體積上的力，若體積只有重力，且z軸豎直向上，則Fx=Fy=0，F(xiàn)z=-ρg，其中,Sx,Sy,Sz的表達(dá)式如下：

(5)

(6)

(7)

一般來(lái)說(shuō)，Sx,Sy和Sz是小量，對(duì)于不可壓流體且粘性為常數(shù)的流體，其Sx=Sy=Sz=0。

1.2 揚(yáng)程的計(jì)算

揚(yáng)程的計(jì)算公式如下：

(8)

其中，pd,ps分別為液體在泵的出口和進(jìn)口處的靜壓力；vd,vs分別為液體在泵的出口和進(jìn)口處的速度；Zd,Zs分別為液體在泵的出口和進(jìn)口處與任選的測(cè)量基準(zhǔn)面之間的距離。

1.3 泵軸的功率計(jì)算

泵軸所需功率，其值可依泵的有效功率Ne和效率η計(jì)算，即：

(9)

其中，Q為進(jìn)口流量；H為揚(yáng)程；ρ為液體密度。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 外特性變化規(guī)律

對(duì)顆粒粒徑為0.2 mm，顆粒濃度為10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%七種濃度進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬的各種濃度下的揚(yáng)程和效率值繪制成曲線圖如圖1所示。從圖1中可以看出，隨著固相體積分?jǐn)?shù)的增加，泵的揚(yáng)程、效率降低越來(lái)越明顯。由開(kāi)始的74.6 m逐漸下降至72.5 m,69.4 m,67.8 m,62.9 m,58.5 m和55.7 m，下降幅值分別為2.8%,6.9%,9.1%,15.7%,21.6%和25.3%。這是由于固體顆粒的存在，造成了離心泵內(nèi)壓能的損失，所以隨著固相體積分?jǐn)?shù)的增大，離心泵的揚(yáng)程逐漸減小，且減小的幅值越來(lái)越大。

隨著進(jìn)口固相體積分?jǐn)?shù)的增加，離心泵的效率也在下降，由開(kāi)始的62.6%逐漸下降至60.7%,59.2%,57.8%,55.2%,53.4%和52.6%。由此說(shuō)明，固相體積分?jǐn)?shù)越大，效率下降越快，但是下降的幅值越來(lái)越小，這是由于固體顆粒的存在，導(dǎo)致了葉輪做功能力的降低，泵內(nèi)能量轉(zhuǎn)換在一定程度上發(fā)生了較大的變化。

2.2 壓力變化規(guī)律

圖2是粒徑為d=0.2 mm時(shí)，固相體積分?jǐn)?shù)從10%逐漸增加到40%，離心泵內(nèi)中截面處固—液兩相流壓力場(chǎng)的分布：在不同的體積分?jǐn)?shù)下，離心泵內(nèi)部的壓力分布規(guī)律基本一致，在葉片的壓力面上，從進(jìn)口到出口壓力值逐漸增大，壓力值在出口處達(dá)到了最大值。另外隨著固相體積分?jǐn)?shù)的增大，離心泵內(nèi)部的總壓也逐漸下降，同樣葉輪進(jìn)口處的壓力也在下降，由于顆粒的存在降低了離心泵的做功能力，所以當(dāng)顆粒的濃度增大時(shí)，葉輪的做功在一定程度上會(huì)減小，揚(yáng)程就會(huì)變小。同時(shí)，由于顆粒的存在導(dǎo)致在葉輪進(jìn)口處會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象，會(huì)在一定程度上產(chǎn)生多余的壓降，介質(zhì)的空化壓力不斷減小，使離心泵進(jìn)口處的負(fù)壓面積增大，空蝕將提前發(fā)生。

2.3 速度變化規(guī)律

圖3為在d=0.2 mm時(shí)，固相體積分?jǐn)?shù)逐漸增大情況下，離心泵內(nèi)中截面處固—液兩相流速度場(chǎng)的分布圖。從圖3中可以看出，流體的流動(dòng)速度沿著徑向方向會(huì)在一定程度上逐漸變大，而且當(dāng)葉輪半徑相同時(shí)，工作面的速度大于背面的速度；在流道的壓力面上中部存在最小速度，而在葉輪的出口附近幾乎沒(méi)有變化。在葉片壓力面?zhèn)攘鞯?，速度梯度比較小，只是在葉片出口處速度有較小的增大；葉片吸力面?zhèn)人俣茸兓容^大，并且在葉片出口處附近，速度值變?yōu)樽畲螅纱嗽斐闪嗽撎幠p嚴(yán)重。

圖4為d=0.2 mm的流道中截面相對(duì)速度云圖，由圖4可知，從葉輪進(jìn)口到出口的同一流線上，液體的相對(duì)速度先減小后增大；這是由于在相同體積流量的流體進(jìn)入流道后，隨著流道的截面面積逐漸增大，速度值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，之后隨著流體流動(dòng)的深入，由于葉輪的做功導(dǎo)致流體的速度會(huì)逐漸變大。從而可以得出，在葉輪的進(jìn)口處液相和固相的速度的差值比較大，速度差值最小處為葉片中間某部位，隨著流動(dòng)的深入，在葉輪出口處兩種介質(zhì)速度的差值會(huì)增大。固液兩相的速度在葉片入口處和出口處變化都較大，可以推測(cè)此兩部位是比較易磨損的位置。

3 結(jié)語(yǔ)

1)在不同的體積分?jǐn)?shù)下，離心泵內(nèi)部的壓力分布規(guī)律基本一致，在葉片的壓力面上，從進(jìn)口到出口壓力值逐漸增大，壓力值在出口處達(dá)到了最大值；隨著固相體積分?jǐn)?shù)的增大，離心泵內(nèi)部的總壓也逐漸下降，同樣葉輪進(jìn)口處的壓力也在下降。

2)固相體積分?jǐn)?shù)逐漸增大情況下，在葉片壓力面?zhèn)攘鞯?，速度梯度比較小，只是在葉片出口處速度有較小的增大；葉片吸力面?zhèn)人俣茸兓容^大，并且在葉片出口處附近，速度值變?yōu)樽畲?，由此造成了該處磨損嚴(yán)重。

3)通過(guò)對(duì)比相同半徑處固相和液相的速度值可以得出，在葉輪的進(jìn)口處液相和固相的速度的差值比較大，速度差值最小處為葉片中間某部位；固液兩相的速度在葉片入口處和出口處變化都較大，可以推測(cè)此兩部位是比較易磨損的位置。