離心式雜質泵蝸殼內部流場數值模擬

                         徐振法,王銀鳳,唐鈴鳳

              (安徽工程科技學院機械工程系,安徽蕪湖　241000)

    摘要：利用計算流體動力學分析軟件,對離心式雜質泵的內部流場進行了數值模擬.計算了顆粒直徑為0.076mm,固相體積分數為10%的兩相流工況下的三維湍流流場,得到了蝸殼內的速度、壓力和固相體積分數分布等流動信息.計算結果表明:自進口至最大半徑處蝸殼內的速度不斷減小,壓力逐漸增大,顆粒體積分數隨半徑增大而增大.

    關鍵詞：雜質泵;蝸殼;內部流場;數值模擬

    中圖分類號：TH122　　　　文獻標識碼：A

    文章編號：1672-2477(2010)01-0018-04

    離心式雜質泵廣泛應用于水利、石化、采礦和電力等行業,用于輸送含有固體顆粒的固液兩相或多相介質.由于其輸送介質的多樣性、內部流動的復雜性,目前雜質泵的設計方法并不成熟,大多都是按輸送清水介質設計的,導致泵的運行效率低、噪聲大、局部磨損嚴重,造成能源和材料的大量浪費,因此了解泵內的流動規律顯得尤為重要.雖然實驗是研究泵內流場最直接、最可靠的方法,但是存在投資大、周期長等缺陷,同時實驗數據的準確度和精度受測試儀器儀表及環境的制約,對內部流場和細微流動機理的分析能力有限.而利用CFD軟件模擬泵內部流場成本低,并且也可以比較準確直觀的反映出泵內的流動規律[1].本文以一個離心式雜質泵為研究對象,對其內部流場進行了兩相流工況下的數值模擬,將其內部流動可視化,得到了蝸殼內的速度、壓力以及固相體積分數分布,并對蝸殼流道內的流動進行了詳細的分析.

    1　模型建立和網格劃分

    本文所計算的離心式雜質泵用經驗系數法進行設計,考慮顆粒的影響,加大了葉輪出口寬度和蝸殼基圓直徑.葉輪采用圓柱葉片、弧形背葉片.蝸殼采用螺旋型矩形蝸殼.根據葉輪和蝸殼的水力圖,利用三維CAD軟件PRO/E對葉輪及蝸殼流道建立三維實體模型,并在進出口處做了延伸段.離心泵內的流道非常復雜,在進行網格劃分時采用結構化網格很難處理,因此采用自適應性很強的四面體非結構化網格,并在局部區域,如葉輪與蓋板的間隙處和隔舌,進行了網格加密,以保證網格精度.網格單元總數為608 543.整機網格如見圖1所示.

                

    2　控制方程和邊界條件

    2.1　控制方程

    在考慮泵內的不可壓流動時,使用笛卡兒坐標系,速度矢量 u在x、y和z方向的分量為u、v和w,可寫出湍流控制方程[2].連續方程:div u =0.動量方程:

                

    式中Fx、Fy、Fz為除了壓強梯度和粘性力以外其他作用力的合力.在固液兩相流計算中,這個力為固體顆粒對流體的反作用力.湍流模型采用標準k-ε雙方程模型來封閉求解N-S方程.壓力速度耦合采用了標準SIMPLE算法,速度項、湍動能項和湍動能耗散率項均采用一階迎風格式.多相流模型采用歐拉模型進行計算.

    2.2　邊界條件

    在計算域進口,采用速度進口.湍動能和湍動能的耗散率分別由經驗公式k =0.05u2,ε= cuk3/2/l確定[3].在計算域的出口,采用壓力出口.在葉片和蝸殼內表面上均采用無滑移固壁邊界條件,近壁處采用標準壁面函數法處理.

    3　計算結果分析

    本文以顆粒直徑為0.076 mm、固相體積分數為10%的兩相流工況下的泵內三維湍流流場為研究對象.主要分析蝸殼內的壓力、速度和固相體積分數分布規律.圖2為蝸殼內8個斷面的位置示意圖,各斷面位置已用羅馬數字標識出來了.靠近隔舌處為第1斷面,順時針方向每隔45°分布一個斷面.自第8斷面至出口為擴散段.從蝸殼中截面和8個斷面兩個不同的角度出發來研究其內部流動.

    3.1　蝸殼中截面流動分析

    圖3至圖5為蝸殼中截面的速度、壓力和固相體積分數分布.從圖3不難看出,蝸殼內的速度分布不均勻,速度梯度明顯.在第1至第8斷面間,隨半徑的增大而減小,但是在第3截面和第7截面處存在局部高速區,隔舌處存在一個低速區,這和蝸殼中截面的壓力分布也吻合,在對應位置的壓力相應較低,這可能是由于第3和第7斷面的截面設計不合理,面積變化不均勻造成的.從第8斷面至出口速度逐漸下降,這是由于流道面積增大的結果.

               

    從圖4蝸殼中截面的壓力分布可以看出,蝸殼內的壓力變化比較明顯,在蝸殼內隨半徑的增大,壓力也不斷增加.第1至第8斷面的壓力基本一致,變化不大.但在第3截面和第7截面處存在局部的低壓區,而在隔舌處存在局部高壓區.在蝸殼擴散段,壓力不斷升高,說明擴散段達到了升壓效果,有效的降低了出口流體的速度.

                

    顆粒直徑為0.076 mm,屬小顆粒,其與流體的跟隨性較好.因此觀察圖5的固相體積分數分布,可以發現,蝸殼中的固體顆粒分布比較均勻,但從蝸殼進口至最大半徑處仍然是不斷增大的.蝸殼進口的固相體積分數為7.6%,最大半徑處為17.9%.這是由于從葉輪流出的流體直接進入蝸殼,在慣性的作用下,顆粒有向蝸殼壁面運動的趨勢.由此可以進行定性分析,隨粒徑的增大,蝸殼內的固體顆粒會向壁面處靠近,造成壁面處濃度增大.這與相關文獻提出的結論是一致的[4].

    3.2　蝸殼8個截面流動分析

    本文研究對象為離心式雜質泵,輸送介質中含有固體顆粒,采用清水設計方法時考慮顆粒對流場的影響,為了增加通流能力,減小磨損,放大了第1截面的面積,使其與第2截面一致.圖6至圖8分別是蝸殼8個截面的速度、壓力和固相體積分數分布.圖示的位置上方是靠近背葉片一側,下方是靠近葉片一側.從圖6速度分布中不難發現,在蝸殼各個斷面速度分布比較均勻,自蝸殼進口至最大半徑處,速度值不斷減小,但變化并不大,只是在蝸殼壁面處速度梯度很大,速度值下降很快,這也使得固體顆粒容易在蝸殼壁面處產生堆積,造成壁面磨損很快.另外仔細比較各斷面的速度等值線,可以看出,有一個共同的特點:靠近葉片一側蝸殼內的速度值要比靠近背葉片一側的速度大.這說明葉片對于流體的做功效果要比背葉片明顯.



    從圖7各斷面的壓力分布可以看出,蝸殼內的壓力分布規律很明顯,自進口至最大半徑處,壓力不斷增大,這是由于蝸殼不是做功元件,流體進入蝸殼后,速度開始降低,因而壓力相應升高.另外,各斷面的壓力等值線趨勢基本一致,沒有明顯的區別,但各個截面在壓力值上有微弱差距.各截面的壓力等直線都是平行與蝸殼進口邊,說明靠近葉片側和靠近背葉片側的壓力基本相等,背葉片基本形成了等壓密封,減輕了軸封處的密封壓力,同時背葉片起到了平衡軸向力的作用[5].



    從圖8的固相體積分數分布可以看出,各斷面上的分布規律基本相同,總體的趨勢是,從進口至最大半徑處,固相體積分數是不斷增大的.最大值出現在蝸殼壁面處.但是從等值線的分布規律來看,靠近葉片一側的濃度高于靠近背葉片一側.這是從葉片流出的流體中含有顆粒要遠遠多于從背葉片中流出的顆粒.背葉片的一個作用就是要阻止顆粒進入軸封處,造成軸封磨損,快速失效.因此背葉片流道中的顆粒很少,從其中流出的顆粒自然也很少.



    4　結論

    蝸殼內的速度自進口至最大半徑處不斷減小,梯度最大值出現在靠近壁面處,靠近葉片一側的速度大于靠近背葉片一側;蝸殼內的壓力自進口至最大半徑處不斷增大,變化均勻,且靠近葉片一側與靠近背葉片一側的壓力基本相等,背葉片能夠形成等壓密封;蝸殼內的顆粒在慣性作用在向壁面處運動,使得蝸殼內的顆粒濃度隨半徑增大而增大,壁面處濃度最高,同時靠近葉片一側的濃度較高.

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