介質(zhì)黏度對(duì)旋流泵內(nèi)流結(jié)構(gòu)的影響

權(quán)輝，于欣洋，李雅楠，宋凱，浦海燕，王衛(wèi)華

(1. 蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050； 2. 江蘇雙達(dá)泵業(yè)股份有限公司，江蘇 靖江 225300)

隨著工農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，泵輸送多種復(fù)雜介質(zhì)和含有雜質(zhì)的流體的應(yīng)用規(guī)模日益擴(kuò)大，旋流泵作為一種無(wú)堵塞泵應(yīng)用愈加廣泛[1-2].

在輸送的介質(zhì)上，旋流泵主要集中于固液兩相流、鹽析兩相流與清水等介質(zhì)，在黏度對(duì)旋流泵內(nèi)流場(chǎng)的影響方面研究較少.李文廣等[3]對(duì)旋流泵在不同黏度下的性能進(jìn)行了對(duì)比，液體黏度對(duì)流量和效率修正系數(shù)的影響較小，對(duì)揚(yáng)程的修正系數(shù)影響較大.在化工方面，已有大耐泵業(yè)生產(chǎn)輸送丁基橡膠的旋流泵.

在最初的流動(dòng)模型中，學(xué)者們將旋流泵內(nèi)劃分成不同的區(qū)域，從而解釋旋流泵內(nèi)復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)旋流泵在兩相流與清水的內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理、水力性能、能量轉(zhuǎn)換等方面做了大量的研究[4].權(quán)輝等[5-7]對(duì)旋流泵內(nèi)流結(jié)構(gòu)提出了次流渦的概念，并對(duì)旋流泵在固液兩相流情況下對(duì)循環(huán)流渦結(jié)構(gòu)提出了新的湍流模型，進(jìn)一步解釋了旋流泵的內(nèi)流結(jié)構(gòu).旋流泵由于其優(yōu)異的無(wú)堵塞性而被廣泛應(yīng)用，在化工廢液的輸送過(guò)程中，黏度是影響性能的主要因素，但目前缺乏黏性對(duì)旋流泵內(nèi)流動(dòng)特性的影響的研究.因此文中對(duì)不同黏度的介質(zhì)如何提高性能與解決內(nèi)流結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行研究，可為旋流泵在化工領(lǐng)域應(yīng)用提供理論參考.

1 模型建立與數(shù)值方法

1.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

以150WX-200-20型臥式旋流泵為研究對(duì)象，其各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)分別為流量Q=200 m3/h、揚(yáng)程H=20 m、額定轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min、軸功率P=26.34 kW.旋流泵的水力幾何參數(shù)如表1所示，由此得到其水力設(shè)計(jì)如圖1所示.利用Creo軟件對(duì)該旋流泵計(jì)算域進(jìn)行三維建模.

圖1 旋流泵水力設(shè)計(jì)圖

表1 旋流泵水力幾何參數(shù)

采用ICEM結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，將流體域分為進(jìn)口段、葉輪域和蝸殼域3個(gè)部分，采用Interface面耦合，對(duì)邊界層進(jìn)行網(wǎng)格加密.邊界層網(wǎng)格層數(shù)為15層，壁面附近第一層網(wǎng)格厚度為0.01 mm，壁面y+<15滿足要求，如圖2所示.

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格示意圖

為了檢驗(yàn)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，對(duì)6套網(wǎng)格在清水額定工況下進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了與網(wǎng)格數(shù)n對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程，如圖3所示.當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為157萬(wàn)，揚(yáng)程的變化不超過(guò)1%，且加密網(wǎng)格數(shù)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響較小，因此以該網(wǎng)格模型進(jìn)行數(shù)值分析.

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢查

1.2 旋流泵內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算

文中選用的混合物密度為1.35×103kg/m3.對(duì)于化工廢液可看成不可壓縮流體，采用定常計(jì)算.由設(shè)計(jì)可知，葉輪轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，進(jìn)口條件設(shè)置為速度進(jìn)口，出口流動(dòng)設(shè)置為自由出流.為了保證計(jì)算精度，同時(shí)節(jié)約計(jì)算時(shí)間，采用SIMPLEC算法，二階迎風(fēng)的離散格式，殘差精度為10-6，使用RNGk-ε湍流模型，SIMPLEC算法，考慮重力作用，當(dāng)殘差曲線達(dá)到精度和出口壓力穩(wěn)定時(shí)即流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果視為收斂.蝸殼設(shè)為靜止無(wú)滑移壁面條件，葉輪設(shè)為運(yùn)動(dòng)無(wú)滑移壁面條件[8].

2 數(shù)值方法驗(yàn)證與流動(dòng)結(jié)構(gòu)表征

2.1 試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果可靠性和準(zhǔn)確度，建立旋流泵開(kāi)式試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，以清水為介質(zhì)對(duì)同一模型進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬，如圖4所示.

圖4 試驗(yàn)裝置示意圖

圖5為試驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值模擬得到的性能曲線.分析可知，測(cè)試和數(shù)值計(jì)算所得揚(yáng)程和效率的平均誤差分別為2.27%和5.26%，誤差均小于6.00%，從而間接驗(yàn)證了模型及數(shù)值方法選擇具有較高可靠性.

圖5 水力性能誤差驗(yàn)證

2.2 截面選取方案

旋流泵內(nèi)存在循環(huán)流、貫通流和大量自由渦，為了研究旋流泵內(nèi)流動(dòng)特性，對(duì)旋流泵建立直角坐標(biāo)系及極坐標(biāo)系，并按如圖6所示的方案選取截面來(lái)描述流動(dòng)特性.

圖6 截面選取方案圖

2.3 循環(huán)流與貫通流的幾何特征

旋流泵內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)主要以循環(huán)流和貫通流為主，除此之外還存在大量次生渦.根據(jù)流道內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)情況，每個(gè)軸截面上一般存在3個(gè)尺度較大的渦，如圖7所示.主循環(huán)流C1主要在無(wú)葉腔中的Ⅱ區(qū)域，在不同的流動(dòng)情況下，會(huì)有一部分在葉輪域與后縮腔內(nèi).為了方便描述，將無(wú)葉腔分為3個(gè)部分，Ⅰ區(qū)流體受進(jìn)口段影響被吸入葉輪域，Ⅱ區(qū)為循環(huán)流主要所在區(qū)域，Ⅲ區(qū)為貫通流主要所在區(qū)域.

圖7 無(wú)葉腔內(nèi)區(qū)域分區(qū)

為了進(jìn)一步研究旋流泵內(nèi)流結(jié)構(gòu)，根據(jù)流線形狀定義循環(huán)流與貫通流的邊界.在流線圖內(nèi)識(shí)別出一根流線，其包裹循環(huán)流或貫通流渦核且外側(cè)流線不閉合或不能完整包含循環(huán)流或貫通流，則視為循環(huán)流或貫通流邊界.

2.4 循環(huán)流與貫通流的壓力梯度表征

為定量描述旋流泵內(nèi)渦結(jié)構(gòu)，引入壓力梯度?p和速度梯度?v.將旋流泵內(nèi)循環(huán)流渦帶在截面上的邊界與壓力梯度圖重合，如圖8所示.

圖8 壓力梯度表征圖

在徑向截面上定義循環(huán)流壓力梯度為

(1)

式中：?pCr為循環(huán)流邊界上rmax處與rmin處壓力差，從壓力梯度云圖上可知，壓力大小與半徑大小呈正相關(guān)，故可以確定rmax處壓力為最大值即pmax，同理可知rmin處為壓力最小值pmin.

同理定義貫通流壓力梯度?pTr為

(2)

3 黏度對(duì)旋流泵內(nèi)流結(jié)構(gòu)的影響

3.1 不同黏度下旋流泵外特性變化

流體微團(tuán)之間的黏性力會(huì)隨著黏度的增大而增大，進(jìn)而影響泵內(nèi)流體能量的傳遞.圖9為旋流泵在輸運(yùn)不同黏度的化工廢液時(shí)的外特性曲線.

由圖9可知，在黏度μ為0.10 Pa·s左右旋流泵外特性變化明顯.當(dāng)黏度為0.01 Pa·s時(shí)，揚(yáng)程曲線下降緩慢，軸功率最低，揚(yáng)程最高，效率最佳點(diǎn)位于1.2Q附近.隨著黏度繼續(xù)增大，當(dāng)黏度大于0.10 Pa·s后，最佳效率點(diǎn)向前移動(dòng)，揚(yáng)程下降，軸功率增加.當(dāng)黏度增大至1.00 Pa·s后，0.8Q時(shí)為最佳效率點(diǎn)，軸功率進(jìn)一步增加，揚(yáng)程進(jìn)一步降低.這是因?yàn)殡S著黏度增大，流體一部分是因黏度提升使得流體微團(tuán)間的剪切力提高，同時(shí)，另一部分邊界層變厚，在近壁面處的速度梯度變小，在擴(kuò)散管處液體黏度大，使得低速流體在擴(kuò)散管內(nèi)受到擠壓，從而導(dǎo)致其效率降低，揚(yáng)程下降，軸功率增加.

圖9 不同黏度外特性曲線圖

3.2 輸送化工廢液時(shí)旋流泵內(nèi)流結(jié)構(gòu)變化

3.2.1 葉輪域內(nèi)流結(jié)構(gòu)變化

對(duì)于葉輪域，其截面l1，l2，l3流線如圖10所示，其中v為速度矢量.

圖10 3種介質(zhì)下葉輪域流線圖與速度矢量圖

分析圖10可知，黏度0.01 Pa·s時(shí)在葉輪輪轂處流動(dòng)簡(jiǎn)單，葉輪吸入的液體尚未受到循環(huán)流與葉輪做功的影響，渦旋較少.而在葉輪輪緣附近流場(chǎng)渦旋較多，在截面l3存在循環(huán)流.當(dāng)黏度為0.10 Pa·s時(shí)，葉片折點(diǎn)處的渦旋減少，在截面l2循環(huán)流消失.當(dāng)黏度為2.00 Pa·s時(shí)，葉輪折點(diǎn)無(wú)渦旋且在截面l1上流線為圓周方向的弧線，葉輪域內(nèi)幾乎沒(méi)有循環(huán)流.流體在葉輪的作用下向后縮腔運(yùn)動(dòng)，堆積在葉輪輪緣處.相比于較低黏度的流體，流體的擠壓使效率降低，同時(shí)造成了一部分能量的損失.

3.2.2 不同黏度下的內(nèi)流結(jié)構(gòu)

選取黏度為0.01，0.10，2.00 Pa·s的介質(zhì)，模擬在流量分別為0.4Q，1.0Q和1.4Q時(shí)截面A2與A8流線，得到2.3節(jié)中定義的循環(huán)流與貫通流邊界，如圖11所示，圖中藍(lán)色曲線為截面A2上，紅色曲線為截面A8上.

由圖11可知，隨著黏度增大，截面A2與A8上循環(huán)流形狀差異也隨之增大，結(jié)合圖9，效率的變化也隨之增大.當(dāng)黏度為0.01 Pa·s時(shí)，此時(shí)截面A2與A8上的循環(huán)流形狀在軸向與徑向上的距離變化不大.當(dāng)黏度增大至0.10 Pa·s時(shí)，循環(huán)流被擠壓在無(wú)葉腔內(nèi)，此時(shí)效率開(kāi)始下降.黏度增大至2.00 Pa·s，循環(huán)流在小流量處截面A8上大于截面A2上，而隨著流量增大，截面A8上循環(huán)流逐漸縮小，直至成為一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的橢圓狀.這是因?yàn)檠h(huán)流和次流渦隨著黏度增大而增大，擠占貫通流的空間，使得旋流泵的效率降低.

圖11 循環(huán)流與貫通流邊界圖

3.3 介質(zhì)黏度對(duì)壓力梯度的影響

對(duì)黏度為0.01，0.10，2.00 Pa·s的內(nèi)流進(jìn)行數(shù)值模擬，得到貫通流與循環(huán)流壓力梯度變化分別如圖12,13所示.

圖12 貫通流壓力梯度變化

由圖12可知，貫通流壓力梯度?pTr隨流量和黏度的增大而增大.結(jié)合效率曲線可以看出，當(dāng)黏度在不大于0.10 Pa·s時(shí)，在最佳效率點(diǎn)處時(shí)壓力梯度差?pTrmax-?pTrmin最大，壓力梯度在最低值與最高值分別為500 kPa/m和3 000 kPa/m.當(dāng)黏度大于0.10 Pa·s時(shí)，當(dāng)超過(guò)最佳效率點(diǎn)后，壓力梯度急劇增加.在最佳效率點(diǎn)處壓力梯度最高值與最低值之差為0～500 kPa/m.隨著黏度的增大，旋流泵在蝸室Ⅲ處壓力降低，貫通流壓力梯度降低.

分析圖13可知，當(dāng)黏度為0.01～0.10 Pa·s時(shí)，循環(huán)流占據(jù)了蝸室Ⅱ的大部分空間.隨著流量的增大，循環(huán)流的壓力梯度先減小后增大，當(dāng)黏度在0.10～2.00 Pa·s時(shí)，隨著流量與黏度增大，循環(huán)流壓力梯度下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)最佳效率點(diǎn)時(shí)反而增大.在最佳效率點(diǎn)，循環(huán)流內(nèi)沒(méi)有次流渦，此時(shí)占據(jù)了蝸室Ⅱ的位置，黏度在0.01～0.10 Pa·s時(shí)，因黏度低而使得循環(huán)流變形小，由此壓力梯度大同時(shí)效率高.當(dāng)黏度大于0.10 Pa·s時(shí)，循環(huán)流在截面A5—A8軸向縮小至無(wú)葉腔靠近進(jìn)口段的一側(cè)，同時(shí)在徑向也縮小，壓力梯度變小，效率最高.

圖13 循環(huán)流壓力梯度變化

在對(duì)旋流泵內(nèi)流結(jié)構(gòu)有了一定的了解后，應(yīng)該對(duì)旋流泵輸送清水和化工酸液時(shí)兩相流的內(nèi)流特性進(jìn)行對(duì)比，并結(jié)合旋流泵的過(guò)流部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，在進(jìn)一步提升旋流泵的水力效率的同時(shí)保持旋流泵良好的無(wú)堵塞性.

4 結(jié) 論

1) 旋流泵內(nèi)流結(jié)構(gòu)受黏度影響較大.黏度2.00 Pa·s與黏度為0.01 Pa·s內(nèi)流結(jié)構(gòu)差異大，黏度2.00 Pa·s相比黏度為0.01 Pa·s時(shí)，循環(huán)流被擠壓后，使葉輪域流體被堆積在后縮腔，反而降低了旋流泵的效率.

2) 黏度對(duì)旋流泵內(nèi)循環(huán)流與貫通流的邊界形狀有較大影響.隨著黏度的增大，自由渦減少，循環(huán)流逐漸被擠壓，遠(yuǎn)離葉輪域至無(wú)葉腔的另一端.而小流量會(huì)減小循環(huán)流變形，所以最佳效率點(diǎn)會(huì)向小流量方向移動(dòng).

3) 在最佳效率點(diǎn)處，不同截面上貫通流壓力梯度變化相對(duì)均勻，遞減越均勻,效率越高.當(dāng)黏度在0.01 ～0.10 Pa·s時(shí)，最佳效率點(diǎn)處最大壓力梯度與最小壓力梯度差最大則效率高.當(dāng)黏度大于0.10 Pa·s時(shí)，循環(huán)流壓力梯度差值最小時(shí)效率最高.