輸送變物性介質(zhì)的熔鹽泵性能仿真實(shí)驗(yàn)

程文潔， 周勇軍， 侯 瓊

（南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京211816）

0 引 言

離心泵作為工業(yè)領(lǐng)域的重要機(jī)械，結(jié)構(gòu)可靠性、性能優(yōu)劣均對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有重要影響。熔鹽泵是以高溫熔鹽為傳輸介質(zhì)的葉片泵［1］，通常情況下泵內(nèi)的輸送介質(zhì)為液態(tài)熔鹽，由于不同熔鹽的熔點(diǎn)溫度不同［2］，在一些低溫條件下，泵內(nèi)析出固體熔鹽顆粒，此時(shí)泵內(nèi)輸送介質(zhì)變?yōu)楣桃簝上嗔鳎?-5］。由于輸送介質(zhì)的物性變化對(duì)泵的性能有一定影響，因此有必要研究泵內(nèi)固體顆粒物理參數(shù)變化對(duì)泵內(nèi)流動(dòng)及外特性的影響規(guī)律。

國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者針對(duì)以固液兩相流為輸送介質(zhì)的泵性能展開(kāi)了研究。廖嬌等［6］分析對(duì)比了相同泥沙顆粒體積分?jǐn)?shù)和不同泥沙顆粒直徑條件下葉片表面顆粒的分布情況；廖利偉等［7］采用Eulerian-Lagrangian多相流模型分析了不同工況下固體顆粒的存在對(duì)泵磨損的情況；Tahsin等［8］研究了固體濃度、密度及直徑等對(duì)泵性能的影響，發(fā)現(xiàn)大尺寸顆粒的流動(dòng)跟隨性較差，會(huì)引起更大的水力損失。Li等［9］使用k-ε湍流模型對(duì)離心泵內(nèi)固液兩相湍流進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，隨著粒徑從0． 1 mm增加到1 mm，固體顆粒的聚集度提高。張玉良等［10-12］研究泵內(nèi)固液兩相流，發(fā)現(xiàn)固相介質(zhì)的濃度、粒徑和密度對(duì)泵的水力性能有很大影響，泵的揚(yáng)程和效率都會(huì)隨著粒徑或濃度的增加而降低。Noon等［13］研究了固體顆粒的存在對(duì)泵內(nèi)磨損情況。Salim等［14］研究了泥漿泵內(nèi)固體顆粒物性對(duì)泵性能的影響?？梢?jiàn)，固液兩相流的顆粒直徑、濃度等對(duì)泵性能有重要影響。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分

文中應(yīng)用Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型對(duì)熔鹽泵中的固液兩相流場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析，并使用SIMPLE算法求解壓力速度耦合方程，以Gidaspow 模型作為固-液交換系數(shù)，以Syamlal-Obrien-Symmetric 作為固-固交換系數(shù)，粒子碰撞系數(shù)為0． 9。如圖1 所示，熔鹽泵的水體域由入口段、葉輪和蝸殼組成，具體幾何參數(shù)見(jiàn)表1。入口段由結(jié)構(gòu)化的6 面體單元組成；葉輪和蝸殼由無(wú)結(jié)構(gòu)的4 面體單元組成。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為1 130 462。原型泵的標(biāo)準(zhǔn)流量（Qd）和轉(zhuǎn)速（nd）分別為50 m3／ h、80 m和2 900 r／ min。

圖1 流體域3D模型

1.2 控制方程

為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型和仿真，計(jì)算基于以下假設(shè)：泵中兩相流體為不可壓縮流體；忽略熔融鹽物理性質(zhì)的變化；忽略固液界面之間的傳熱；除水力損失外，忽略其他損失。

表1 熔鹽泵的主要幾何參數(shù)

式中：μ 為流動(dòng)介質(zhì)的黏度，Pa·s；ρ 為密度，kg ／ m3；u為速度，m／ s；Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能，J；αk為k 方程的湍流Prandtl 數(shù)；αε為ε 方程的湍流Prandtl數(shù)；Sk、Sε為用戶定義的項(xiàng)。

1.3 邊界條件

如圖1 所示，泵入口設(shè)置為Velocity-inlet，出口設(shè)置為Outflow；假定泵的入口速度為均勻分布，且固體顆粒的初始速度與液體相同；設(shè)置泵入口的固體顆粒體積流量，在壁面（Wall）上施加No-slip 邊界條件；多重參照系（MRF）方法應(yīng)用于耦合流量變量。

對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了?；桨笇?shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了模型的可行性［15］。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 泵內(nèi)壓力云圖對(duì)比

圖2 為不同固相體積分?jǐn)?shù)（the particle volume fraction at pump intel，IPVF）工況下泵內(nèi)輸送不同尺寸的固體顆粒時(shí)壓力云圖分布情況。由圖2（a）～（d）可見(jiàn)，當(dāng)IPVF ＝5%時(shí)，隨著泵內(nèi)固體顆粒直徑由0．05mm增大至1． 5 mm，葉輪內(nèi)壓力大小及分布變化不大，蝸殼出口壓力略有降低；當(dāng)IPVF ＝30%時(shí)，隨著泵內(nèi)固體顆粒直徑由0． 05 mm 增大至1． 5 mm，葉輪內(nèi)壓力有所降低，蝸殼內(nèi)壓力明顯減小，出口壓力由1． 8 MPa減小至1． 3 MPa，減小了27． 8%。

圖2 泵內(nèi)壓力分布云圖對(duì)比（MPa）

2.2 泵內(nèi)速度矢量圖對(duì)比

圖3 為不同固相體積分?jǐn)?shù)（IPVF）工況下泵內(nèi)輸送不同尺寸的固體顆粒時(shí)速度矢量分布情況。由圖3（a）～（d）可見(jiàn)，葉輪內(nèi)的速度分布隨IPVF及ds變化很小，蝸殼內(nèi)的速度分布隨固體顆粒直徑的變化較明顯。當(dāng)IPVF ＝5%時(shí)，隨著固體顆粒由0． 05 mm 增加至1． 5 mm，靠近蝸殼壁面的速度有所降低，大顆粒在蝸殼內(nèi)更傾向于向壁面流動(dòng)；當(dāng)IPVF ＝30%時(shí)，顆粒進(jìn)入蝸殼后，速度降低更加迅速，且壁面附近的低速區(qū)域明顯增大。

2.3 外特性對(duì)比

2.3.1 揚(yáng)程

圖4 為不同IPVF工況下泵的揚(yáng)程隨泵內(nèi)固體顆粒直徑的變化情況。揚(yáng)程隨ds的增大不斷減小，且IPVF越大趨勢(shì)越明顯。圖4 顯示，當(dāng)ds＝1． 5 mm時(shí)，不同固相體積分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程曲線相交于同一點(diǎn)，表明當(dāng)泵內(nèi)輸送兩相流介質(zhì)的固體顆粒直徑為1． 5 mm時(shí)，泵揚(yáng)程幾乎不隨入口固相體積分?jǐn)?shù)的變化而改變。當(dāng)ds＜1． 5 mm，揚(yáng)程隨IPVF 的增大而升高；當(dāng)ds＞1． 5 mm時(shí)，揚(yáng)程隨IPVF的增大而降低，且固體顆粒直徑越大，揚(yáng)程下降越明顯。

2.3.2 水力效率

圖5 為不同尺寸固體顆粒工況下泵的水力效率隨IPVF的變化情況。由圖5 可見(jiàn)，在泵內(nèi)輸送的固體顆粒直徑不同的情況下，泵效率隨著IPVF 的增大有不同變化趨勢(shì)。ds＜1． 5 mm 時(shí)，效率隨IPVF 的增大逐漸升高；ds＝1． 5 mm 時(shí)，效率不隨IPVF 的變化而改變；ds＞1． 5 mm 時(shí)，效率隨IPVF 的增大而不斷降低。表明泵內(nèi)輸送含微小顆粒（ds＜1． 5 mm）的固液兩相流時(shí)，固體濃度的增加有助于提高泵效率；而泵內(nèi)固體顆粒較大時(shí)，固體濃度的增加不利于泵的高效運(yùn)行。

圖6 為不同IPVF工況下泵的軸功率隨IPVF的變化情況。由圖6 可見(jiàn)，無(wú)論IPVF 如何變化，泵的軸功率都隨著ds的增大而不斷增大。表明泵內(nèi)輸送的固液兩相流含固體顆粒尺寸越大，泵消耗的軸功率也越大。

圖3 泵內(nèi)速度分布矢量圖（m／ s）

圖4 揚(yáng)程隨輸送固體顆粒直徑的變化

圖5 水力效率隨輸送固體顆粒直徑的變化

3 結(jié) 語(yǔ)

文中研究了泵內(nèi)固體顆粒物性變化對(duì)泵內(nèi)流場(chǎng)分布及外特性的影響：

圖6 軸功率隨輸送固體顆粒直徑的變化

（1）當(dāng)入口固相體積分?jǐn)?shù)（IPVF）較低時(shí)，隨著固體顆粒直徑（ds）的增大，葉輪內(nèi)壓力大小及分布幾乎不受影響，蝸殼出口壓力略有降低；當(dāng)IPVF 較高時(shí)，隨著泵內(nèi)固體顆粒直徑的增大，葉輪內(nèi)壓力有所降低，蝸殼內(nèi)壓力明顯降低。

（2）葉輪內(nèi)的速度分布隨IPVF 及ds變化很小，蝸殼內(nèi)的速度分布隨固體顆粒直徑的變化較明顯；大尺寸固體顆粒在蝸殼內(nèi)更傾向于沿壁面流動(dòng)，且IPVF越高，壁面附近的低速區(qū)域越大。

（3）泵內(nèi)輸送兩相流介質(zhì)的ds＝1． 5 mm時(shí)，泵揚(yáng)程幾乎不隨入口固相體積分?jǐn)?shù)的變化而改變；泵內(nèi)輸送含微小顆粒（ds＜1． 5 mm）的固液兩相流時(shí)，固體濃度的增加有助于提高泵效率，大尺寸顆粒濃度的增加不利于泵的高效運(yùn)行；固體顆粒尺寸越大，泵消耗的軸功率也越大。