旋流泵内颗粒分布特性及对泵性能的影响.pdf

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2013年第41卷第5期流体机械15文章编号：1005—0329(2013)05—0015一o4旋流泵内颗粒分布特性及对泵性能的影响张东伟。杨敏官．高波．陆必云(1．江苏大学，江苏镇江212013；2．江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏江阴214400)摘要：基于Eulerian多相流模型和RNGK一￡两方程湍流模型对旋流泵内的液固两相流场进行了数值模拟，获得了不同粒径、浓度时泵内的颗粒分布特性及对泵性能的影响。研究结果表明：固体颗粒进入泵内后主要集中于无叶腔内，无叶腔中的颗粒分布以泵轴为中心呈现一定的轴对称分布，随着粒径的增大，颗粒在无叶腔内壁面聚集的更加明显，随着浓度的增大，颗粒在无叶腔内的分布规律几乎没有变化，随着流量的增大，无叶腔中心部分颗粒浓度几乎不变的区域扩大；在叶轮内，叶片工作面附近的颗粒浓度要大于叶片背面的；随着粒径及浓度的增大旋流泵的效率会降低，随着粒径的增大泵的扬程会降低。关键词：旋流泵；液固两相流；颗粒分布中图分类号：TH3文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1005—0329．2013．05．004ParticleConcentrationDistributionanditsEfectonPerformanceinaVortexPumpZHANGDong—wei，YANGMin-guan，GAOBo。，LUBi—yun(1．JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China；2．JiangyinXingchengSpecialSteelCompany，Jiangyin21400，China)Abstract：Thesolid—liquidtwo-phaseturbulentflowinavortexpumpissimulatedwithEulerianmodelandRNGK·eturbulencemode1．TheflowcharacteristicsofthevortexpumpiSanalyzedfordiferentsolidparticlediametersandsolidvolumefractions．Theresultsshowthat，theparticleconcentrationismuchhigherinthevolutethanthatintheimpeller．Itpresentsagoodaxialsymmetricaldistributioninthevolutewiththevortexpumpshaftasthecenter．Withtheparticlesizeincreased，thepartidlestendtothewallofvolute．Particleconcentrationalmosthasnoinfluenceonthedistributionofparticlesinthevolute．Withtheflowrateincreased，theareawhereparticleconcentrationalmostconstantinthecenterofthevoluteexpands．IntheimpellertheparticlesaleaccumulatedRealthepressuresideofblades．Theeficiencyofthevortexpumpdecreaseswiththesolidphaseconcentrationincreasedorwiththeparticlediameterincreased．Thepumpheaddecreaseswiththeparticlediameterincreased．Keywords：votexpump；solid—liquidtwo—phaseturbulentflow；distributionofparticles1引言通流，泵内流场具有较强的纵向旋涡和轴向旋涡圳】。旋流泵结构简单、过流部件不易磨损，在输送然而不同粒径、浓度时旋流泵内的颗粒分布含有较大颗粒和较长纤维流体时，过流能力强且特性及对泵性能的影响尚没有完全弄清楚，因此运行稳定，广泛应用于输送液固两相流的场所。本文对不同粒径、浓度时旋流泵内的液固两相流1954年，第一台污水旋流泵诞生，之后，各国的学动进行数值模拟，分析颗粒在泵内的分布特性以者对旋流泵的内流特征、外特性能进行了数值与及颗粒存在对泵性能的影响，为研究泵的磨损以实验研究，发现旋流泵内部同时存在循环流与贯及外特性预测提供一定依据。收稿日期：2o13—03—05基金项目：国家自然科学基金资助项目(51106066) l6FLUIDMACHINERYVo1．41，No．5，2013=一一+·r+CPg2数值计算方法+(1,l—)(3)式中c、c——液相、固相体积分数2．1旋流泵基本参数及计算域、Us——液相、固相速度矢量旋流泵基本参数如表l所示，图1为旋流泵K——液固两相间动量交换系数结构示意。数值模拟计算区域为从泵进口到出口g——重力加速度的整个流道，计算区域分为两个部分：叶轮旋转区Pf——液相、固相密度域和静止区域。网格划分采用非结构化网格，并P——压力对局部进行了加密，整个计算模型的网格数目约下——切应力为82万。进口边界取为速度边界条件，假设进口边界表1旋流泵基本参数上速度均匀分布，速度方向垂直于进口，给定进口参数数值混合流体的湍流强度和进口水力直径值；出口边流量q。(m／h)14界上，认为此处流动已充分发展，取自然出流边界扬程(m)4．5条件；固壁使用无滑移条件，在接近固体壁面区域转速n(r／min)1450比转速nl06采用壁面函数法。计算时所用的两相流介质为水叶轮外径D：(mm)120和颗粒的混合流，定义水为第一相，颗粒为第二叶片数8相，为与后续试验结果进行对比，固体颗粒选用球形玻璃珠。本文计算了粒径d分别为0．05mm、0．1mm、0．15mm、0．2mm、0．3mm，体积浓度c分别为0．2％、0．6％、1％、3％、5％，不同工况下旋流泵内的液固两相流动。3计算结果与讨论3．1颗粒分布结果图1旋流泵结构示意旋流泵内颗粒的分布是惯性力和对流等共同2．2数学模型及边界条件作用的结果。为了分析旋流泵内颗粒的分布，本对泵内液固两相流进行数值模拟时，选择文通过划分轴截面、轴面的方法进行研究，轴截面Eulerian模型，假设流体相为不可压缩流体，颗粒的划分(参考图1)是以叶轮后盖板为基准面，规为理想球形，颗粒相视为连续介质；颗粒相与流体定z向为从叶轮后盖板指向泵吸人口的方向，则相的相问作用力只保留狭义的相问阻力。将多相流视为互相渗透的连续性介质，分别求解每一相按z向，Z=0．5b：、1．25b。等分别表示距离后盖的动量方程和连续性方程，液固交换系数采用板0．5b、1．25b倍叶片宽处的轴截面，依此类Wen—Yu模型，颗粒碰撞归还系数设为0．9。推。连续性方程为：3．1．1叶轮内颗粒分布图2为d=0．05mm，C=1％，P=q。时旋流+V．(c)：0(1)泵内部Z=0．5b轴截面上的颗粒分布等值线。液相动量方程为：计算结果显示，在叶轮内部，同一半径上从叶片工作面到背面存在明显的浓度梯度，工作面附近的+V．(cfplu颗粒浓度明显大于叶片背面的浓度，这是颗粒进=一Cyp+·下f+cfg入泵内在惯性力和对流等作用下的结果，颗粒进+K(一M)(2)入叶轮后，在惯性力的作用下，趋向于叶片工作固相动量方程为：面；从进口到出口，叶片背面附近颗粒浓度有所提+V-(c)高；在隔舌处出现颗粒的聚集。 2013年第41卷第5期流体机械17分布；中心部颗粒浓度在不同轴截面上基本保持一样；中间部的颗粒浓度变化较大，最初段颗粒浓度先下降，然后随着半径增大，颗粒浓度又逐渐升高；到了外缘部分，靠近叶轮的轴截面Z=1．25b，在叶轮出流作用下，颗粒向前泵盖和无叶腔内壁方向运动，造成浓度降低；后随半径增大至近壁区，浓度快速升高，靠近前泵盖附近的轴截面Z=2．25b，浓度随着半径增大快速升高，在靠近前泵图2Z=0．5轴截面颗粒分布盖的压水室内壁面附近颗粒明显聚集，固体颗粒图3为d=0．05ram，C=1％，Q=时旋流浓猁#¨川O0∞肿O肿OmOO肿m0浓度达到最高点。泵内部轴面上颗粒分布等值线。度o．008外外缘缘部部一1．0O．O1．0R图3轴面颗粒分布．0^图4不同轴截面上颗粒分布分析图3发现，在叶轮内不但在径向存在颗图5为C=l％，Q=Q。，d分别为0。05mm、●l2_三=0～盘二音二粒浓度梯度，在轴向也存在浓度梯度，无叶腔内颗0．15mm、0．30ram时无叶腔内Z=1．75b2轴截面粒浓度大于叶轮内的颗粒浓度，颗粒浓度最大6鍪处66颗魏粒．的分口布。为无叶腔壁面靠近前泵盖区域。这是由旋流泵的部特殊结构决定的，旋流泵的主要特点是叶轮退缩在压水室后面的泵腔内，无叶腔内同时存在贯通流和循环流，在输送固液两相流时，部分固液两相流不经过叶轮而直接从蜗壳流出，而进入叶轮内部的固液流，由于循环流的作用，又有部分颗粒回到无叶腔中，同时这也是旋流泵过流能力强不易磨损的原因。0．O3．1．2无叶腔内颗粒分布以沿不同轴向位置处直径方向上的颗粒体积浓度分布来说明无叶腔内的颗粒分布规律，分3图5不同粒径时轴截面上颗粒分布个轴向位置，即Z=1．25b2、1．75b2、2．25b2，横坐分析发现：小粒径时，由于颗粒的惯性较小，标尺为径向尺寸相对于无叶腔半径的无量纲距颗粒的跟随性更好，无叶腔内的颗粒分布比较均离。为便于分析，结合浓度分布曲线的特征，将颗匀；大粒径时，颗粒在中间部分布的比较少；到了粒浓度分布分为中心部(对应吸人口直径范围)、外缘部分，大粒径时固体颗粒在压水室内壁面聚中间部(对应叶轮工作直径范围和外缘部(大于集的更加明显，说明大粒径颗粒在惯性力作用下叶轮直径直至压水室壁面范围)3个部分¨卜¨]。趋向于压水室内壁面内壁面。图4为d=0．05mm，C=1％，Q=时无叶图6为d=0．05mm，Q=Qo，C分别为0．2％、腔内不同轴截面颗粒的分布。分析发现无叶腔中l％和5％时无叶腔内Z=1．75b2轴截面上颗粒的颗粒浓度分布以泵轴为中心呈现一定的轴对称的分布。 18FLUIDMACHINERYVo1．41，No．5，2013毫1．2250．71．2图6不同体积浓度时轴截面上颗粒分布Q，Q。分析发现3种体积浓度下无叶腔内颗粒的分图9不同粒径时泵的扬程布趋势几乎一样，这就说明颗粒浓度对颗粒在无图l0为旋流泵在不同颗粒浓度时的效率。叶腔内的分布规律几乎没有影响。分析该图可得，粒径不变时泵效率随颗粒浓度的图7为d=0．05mm，C：1％，Q分别为0．6增加而略有下降，这是由于固相体积浓度增加，造Q。、1．0Q0、1．2Q。时无叶腔内Z=1．75b：轴截面成泵内摩擦损失增加，所以导致效率下降。颗粒的分布。0．0240．0l20．000O．O尺0．40．81．2图7不同流量时轴截面上颗粒分布Q／Q。分析发现：大流量时，由于初始速度比较大，受图l0不同颗粒浓度时泵的效率内流的影响相对较弱，颗粒浓度约为l％的区域向中间部扩展，中间部颗粒浓度要大于小流量时。4结论3．2外特性预测图8、9为旋流泵在不同粒径时的效率和扬(1)旋流泵内无叶腔的颗粒浓度大于叶轮内程。分析该图可得，颗粒浓度不变时，泵效率和扬的颗粒浓度，颗粒浓度最大处为靠近前泵盖附近程随着粒径的增加而降低，本文认为，根据两相流的压水室内壁面附近，叶片工作面附近的颗粒浓输送机理的分析可知，颗粒越细，维持其悬浮所需度明显大于叶片背面；的能量越小，损失也就越小，也即颗粒越细越易于(2)无叶腔3个部分颗粒分布特性各不相水力输送。同；小粒径时，无叶腔内颗粒分布比较均匀；大粒径时，中间部最初段颗粒浓度下降较慢，外缘部分，固体颗粒在无叶腔内壁面聚集更加明显；颗粒浓度对颗粒在无叶腔内的分布几乎没有影响；大流量下中心部颗粒浓度几乎不变的区域向中间部45扩展，中间部颗粒要多于小流量条件下；小流量时固体颗粒向无叶腔内壁面聚集的更加明显；39(3)颗粒对泵外特性影响较大，随着粒径的增加旋流泵的效率和扬程会减小，随着颗粒浓度0．40．8Q／Q。的增大，泵的效率会降低。图8不同粒径时泵的效率(下转第71页) 2013年第41卷第5期流体机械71．]二]心ConferenceonNaturalWorkingFluidsatPurdue，[17]JacksonJD，HallWB，FewsterJ，eta1．Heattransferto2000，99-106．supercriticalpressurefluids[R]．U．K．A．E．A．A．[10]YoonSH，KimJH，HwangYW，eta1．HeattransferE．R．E．-R8158，DESIGNreport34，1975．andpressuredropcharacteristicsduringthein—tube[18]JacksonJD，HallWB．Influencesofbuoyancyonheatcoolingprocessofcarbondioxideinthesupercriticaltransfertofluidsflowinginverticaltubesundertur-region[C]．InternationalJournalofRefrigeration，bulentconditions，inturbulentforcedconvectionin2003，26(8)：857-864．channelsandbundles[J]．KakacS，SpaldingDB，[11]ChaobinDang，EijiHihara．HeattransfercoefficientofHemisphere，1979：613-640．supercriticalcarbondioxide[c]．PreliminaryPro—[19]CavalliniA，CemiG，DeleolD，eta1．Experimentalin-ceedingsofthe5thIIR-GustavLorentzenConferencevestigationoncondensationheattransferandpressureonNaturalWorkingFluidsatGuangzhou，China，dropofnewHFCrefrigerants(R134a，R125，R32，September17—20，2002：100-107．R410A，R~36ea)inahorizontalsmoothtube[J]．Inter-[12]PitlaSS，GrollEA，RamadhhyaniS．NewcorrelationtonationalJournalofRefrigeration，2001，24(1)：73—87．predicttheheat~ansfercoefficientduringin-tube[2O]YoonSH，KimJH，HwangYW，eta1．HeattransfercoolingofturbulentsupercriticalCO2[J]．Interna-andpressuredropcharacteristicsduringthein-tubetionalJournalofRefrigeration，2002，25(7)：887-coolingprocessofcarbondioxideinthesupercritical895．region[J]．InternationalJournalofRefrigeration，[13]周强泰．两相流动和热交换[M]．北京：水利电力2003，26(8)：857-864．出版社。1987．[21]LemmonEW，McLindenMO，HuberML．NISTStand—[14]程聪，张铱纷．泡沫金属填充板式换热器的传热特ardReferenceDatabase23[D]．Version7．1．Physi—性研究[J]．压力容器，2012，29(2)：17-20．calandChemicalPropertiesDivision，NationalInsti-[15]钱中．微型换热器瞬态传热分析[J]．压力容器，tuteofStandardsandTechnology，USA．2011，28(9)：30—33．[16]付磊，曾焱林，唐克伦，等．泡沫金属填充板式换热作者简介：杨俊兰(1971一)，女，博士，教授，主要从事制冷与器的传热特性研究[J]．压力容器，2012，29(5)：热泵技术，可再生能源应用技术研究，通讯地址：300384天津市39．44．西青区津静公路26号天津城市建设学院能源与安全工程学院。(上接第l8页)模拟[J]．流体机械，2010，38(7)：20-23．参考文献[9]赵万勇，荆野，王振，等．固相颗粒和浓度对旋流泵外特性影响数值分析[J]．石油矿场机械，2009，38汪永志，施卫东．旋流泵的研究现状与展望[J]．排(1O)：5-9．灌机械，2004，22(2)：8-11．[10]杨敏官，高波，刘栋，等．旋流泵内部盐析两相流速AlexanderSteinmann．Numericalandexperimentalin-度场的PDPA实验[J]．工程热物理学报，2008，29vestigationsoftheunsteadycavitatingflowinavortex(2)：238-240．pump[J]．JournalofHydrodynamics2010，22(5)：高波，杨敏官．旋流泵内颗粒分布及对盐析特性的324．329．影响[J]．工程热物理学报2009，30(12)：200-203．陈红勋，关醒凡．旋流泵叶轮内部流动的研究[J]．[12]杨敏官，肖胜男，康灿．出口形状对中心体喷嘴射农业机械学报，1993，24(2)：24-29．流性能的影响[J]．流体机械，2011，39(5)：20-26．杨敏官，高波．旋流泵内盐析两相流场的计算及试[13]车占富，杨敏官，冯浪，等．偏心搅拌槽内流场特性验研究[J]．机械工程学报，2008，(12)：42-48．试验研究[J]．流体机械，2012，40(11)：12。l6．施卫东，汪永志，孔繁余，等．旋流泵无叶腔内部流[14]孔光跃，朴峻名，杨波，等．煤制氢激冷气装置三通场数值模拟[J]．农业工程学报，2005，(21)：72-75．磨损数值模拟[J]．压力容器，2012，29(11)：l6，施卫东，汪永志，沙毅，等．旋流泵内部流动的研究384】．[J]．农业机械学报，2006，37(1)：68-70．赵万勇，李易松，王振，等．旋流泵中颗粒运动方程的作者简介：张东伟(1988一)，男，硕士研究生，主要从事旋流探讨[J]．兰州理工大学学报，2007，33(6)：47-50．泵内部多相流动的的研究，通讯地址：212013江苏镇江市学府路李易松．小粒径固液两相流在旋流泵内运动的数值301号江苏大学能源与动力工程学院。