固體顆粒對應(yīng)急排水車排水泵性能的影響

李寶良,王慧穎,唐學(xué)峰

(大連交通大學(xué)機械工程學(xué)院 遼寧大連,116028)

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固體顆粒對應(yīng)急排水車排水泵性能的影響

李寶良,王慧穎,唐學(xué)峰

(大連交通大學(xué)機械工程學(xué)院 遼寧大連,116028)

以應(yīng)急排水車用排水泵為研究對象,采用數(shù)值仿真方法,研究排水泵固液兩相流動特征,分析固體顆粒對水泵的磨損及外特征性能參數(shù)影響的規(guī)律,提出了有利于流動的模型優(yōu)化措施.結(jié)果表明:葉輪進(jìn)口后蓋板附近區(qū)域、正導(dǎo)葉的凹面以及葉輪葉片進(jìn)口附近區(qū)域的磨損較大;隨著固體顆粒直徑的增大,揚程和效率減小而功率增大,但變化幅度很小,隨著固體顆粒體積含量的增大,其變化趨勢相同但變化幅度較大;通過分析首級葉輪內(nèi)部流場的不規(guī)律流動現(xiàn)象,得到了改善流動狀態(tài)的方法.

礦用排水泵; 固液兩相流; 磨損

LI Bao-liang,Wang Hui-ying,Tang Xue-feng

(Department of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

隨著我國城市建設(shè)的發(fā)展,城市道橋通道越來越多,一些局部地區(qū)常常因暴雨形成大量積水,除影響正常交通外,還經(jīng)常影響企業(yè)正常生產(chǎn),給人們的生產(chǎn)、生活帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失.為了提高應(yīng)急排水能力,生產(chǎn)廠家開發(fā)生產(chǎn)了各種應(yīng)急排水車.但由于積水里通常含有大量的泥沙,排水泵的工作環(huán)境比較惡劣,過流部件的損壞非常嚴(yán)重,造成材料和資源的很大浪費.因此了解排水泵的內(nèi)部流動情況、固液分布情況,對提高排水泵的效率、減少磨損浪費有很重要的意義.

國外科研人員很早之前就進(jìn)行了固液兩相流問題的研究工作.ROEO利用有限元法計算了離心泵葉輪內(nèi)的固體顆粒濃度分布,計算了離心式泥漿泵壓水室內(nèi)的水力損失[1].國內(nèi)已經(jīng)有些學(xué)者對兩相流研究問題進(jìn)行關(guān)注,蔡保元提出了兩相流離心泵的畸變速度設(shè)計方法,許洪元提出了離心式兩相流泵的速度比設(shè)計方法[2-4].由于本文研究的某型號應(yīng)急排水車用多級排水泵是按照清水介質(zhì)下進(jìn)行設(shè)計的,沒有考慮到城市積水復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境,因此該排水泵在平時運行中經(jīng)常出現(xiàn)過流部件磨損、效率低等問題.

基于上述背景及現(xiàn)狀分析,本文以某型號應(yīng)急排水車用多級排水泵為研究對象,使用Solidworks軟件構(gòu)建內(nèi)部流場,運用ICEM CFD網(wǎng)格劃分軟件進(jìn)行網(wǎng)格的劃分,最后運用CFX分析軟件對應(yīng)急排水車用多級排水泵的流道進(jìn)行固液兩相介質(zhì)的數(shù)值分析,進(jìn)而得到排水泵內(nèi)的具體流動信息,分析固體顆粒對水泵的磨損規(guī)律以及對排水泵外特征性能影響的規(guī)律,找出水泵內(nèi)部流場流動不利區(qū)域,對其進(jìn)行優(yōu)化,提出改進(jìn)措施.

1 多級排水泵固液兩相流數(shù)值模擬

1.1 三維實體模型的構(gòu)建

在模擬過程中需要一個正確的內(nèi)部過流部件的計算域模型,計算域的求解區(qū)域是在首級葉輪、首級導(dǎo)葉、次級葉輪、次級導(dǎo)葉、末級葉輪和末級導(dǎo)葉和進(jìn)出口組成的裝配體基礎(chǔ)上,在Solidworks建模軟件中用布爾運算剪切獲得三級泵全流道內(nèi)部實體模型.其中首級葉輪的葉片數(shù)為5片,其他葉輪葉片數(shù)為7片,末級導(dǎo)葉只有正導(dǎo)葉沒有反導(dǎo)葉,得到內(nèi)部流場如圖1所示.

圖1 多級泵三級全流道模型

1.2 網(wǎng)格劃分

采用ICEM CFD軟件中的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格來劃分排水泵的內(nèi)部流道.圖2為首級葉輪的流道網(wǎng)格,圖3為首級導(dǎo)葉的流道網(wǎng)格,圖4為整機三級全流道的網(wǎng)格圖.

1.3 計算模型

多級排水泵的主要設(shè)計參數(shù)為:標(biāo)準(zhǔn)工況Q=720 m3·h-1,揚程H=630 m,轉(zhuǎn)速n=2980 r·min-1,功率P=1472 kW,效率ρ=83.5%.

液相水的參數(shù)設(shè)置:密度998.2 kg·m-3,摩爾質(zhì)量18.02 kg·kmol,動力黏度0.000 889 9 kg·m-3·s-1.

圖2 首級葉輪流道網(wǎng)格

圖3 首級導(dǎo)葉流道網(wǎng)格

圖4 整機三級全流道網(wǎng)格圖

固相顆粒的參數(shù)設(shè)置:密度2 200 kg·m-3,摩爾質(zhì)量60.1 g·mol,動力黏度設(shè)置為一個無關(guān)緊要的微小量,設(shè)置為0.000 000 001 kg·m-3·s-1.

當(dāng)固體顆粒的體積含量為10%,選取顆粒的直徑為0.3,0.5,0.7,0.9,1.1 mm;當(dāng)固體顆粒的直徑為0.3 mm,選取固體顆粒的體積含量為10%,20%,30%,40%,45%進(jìn)行對照研究分析.

1.3 數(shù)值計算方法

采用CFX分析軟件中Eulerian-Eulerian模型中的Particle模型來模擬多級排水泵內(nèi)部流場的固液兩相流動,針對流場的湍流特性,對計算域模型的連續(xù)流體使用標(biāo)準(zhǔn)k-? 模型,對固體顆粒的離散相使用零方程模型.當(dāng)計算流體區(qū)域的固相濃度超過0.1時,是屬于密相固液兩相流動,故在流體對設(shè)置中相間拖曳力選用Gidaspow Drag模型[5-6].參考?xì)鈮簽?01315 Pa(1atm),對計算域添加浮力,在y軸方向,大小為9.81 m·s-2.

采用三維穩(wěn)態(tài)求解方法,求解器采用SIMPLEC算法來求解二階迎風(fēng)格式的離散差分方程.為了加快收斂的速度,對求解設(shè)置中的松弛因子調(diào)整為0.7,外環(huán)松弛因子調(diào)整為0.5,質(zhì)量方程松弛因子調(diào)整為0.5.

1.4 邊界條件

對于邊界條件,進(jìn)口采用質(zhì)量流量進(jìn)口,選用中等湍流強度湍流模型,在流體值選項,設(shè)置不同的沙和水的含量,但必須保證兩相的和值為1[7].在出口選用開放式壓強出口邊界條件,設(shè)置出口壓強為0.針對各區(qū)域的壁面條件,對于連續(xù)的液相采用無滑移的壁面條件,流體在靠近壁面處的速度為零.對于離散相采用自由滑移壁面條件,在此處固體在靠近壁面處的速度不受壁面摩擦力的影響.

2 結(jié)果及分析

2.1 固體顆粒相對排水泵性能的影響

以多級泵的第二級為主要分析對象,選取固體顆粒直徑為0.3 mm、固體顆粒體積含量為10 %的物料進(jìn)行模擬研究,得到標(biāo)準(zhǔn)工況下葉輪和導(dǎo)葉固體顆粒的體積含量分布與滑移速度,如圖5—10所示.

圖5 次級葉輪前后蓋板的固體顆粒體積含量分布

圖5為次級葉輪的固體顆粒體積含量分布圖,由圖可知7個流道內(nèi)的固相顆粒分布比較均勻,在葉輪進(jìn)口處固相顆粒含量比較大,隨著流動方向固相顆粒含量逐漸減小,在出口處固相顆粒含量達(dá)到最小值.伴隨著固液混合物的流動,固體顆粒到達(dá)葉輪的入口處時,運動方向產(chǎn)生了變化,由軸向變到徑向,因為慣性和離心力的作用,顆粒很容易集中在后蓋板處.圖6為次級葉輪前后蓋板的固體顆粒滑移速度分布圖,由圖可以看出在葉輪進(jìn)口的前后蓋板區(qū)域固體顆粒的滑移速度比較大.

圖6 次級葉輪前后蓋板的固體顆粒滑移速度分布

根據(jù)1958年FINNE提出的延性材料沖蝕磨損的微切削理論,可知材料的磨損程度與固體顆粒相的滑移速度的平方成正比,而固相體積含量度決定了單位時間里固體顆粒切削壁面的次數(shù)[8-9].由圖5,6可知,靠近葉輪進(jìn)口后蓋板區(qū)域的固相顆粒體積含量及固體顆粒的滑移速度比較大,容易造成比較嚴(yán)重的磨損;葉輪進(jìn)口前蓋板附近區(qū)域的固體顆粒滑移速度較大,此處有一定磨損.

圖7 次級導(dǎo)葉正后面固體顆粒體積含量分布

圖8 次級導(dǎo)葉正后面固體顆粒滑移速度分布

圖7為次級導(dǎo)葉正面與后面的固體顆粒的體積含量分布圖,由圖可知在反導(dǎo)葉附近的固體顆粒體積含量比較高,并且都集中在反導(dǎo)葉的凹面區(qū)域.由于隨著固體混合液的流動方向,混合液直接沖擊反導(dǎo)葉,造成固體顆粒的堆積,所以在反導(dǎo)葉的凹面容易造成嚴(yán)重的磨損.圖8為次級導(dǎo)葉正面、后面固體顆粒的滑移速度分布圖,由圖可知在正導(dǎo)葉凹面區(qū)域固體顆粒的滑移速度比較大.

由圖7,8可知,正導(dǎo)葉凹面處的固相濃度和固體顆粒的滑移速度比較大,此處磨損最大;在反導(dǎo)葉凹面處的固相顆粒體積含量比較大,也有一定的磨損.

圖9 次級葉輪葉片吸力面與壓力面固體顆粒體積含量分布

圖10 次級葉輪葉片吸力面與壓力面固體顆粒滑移速度分布圖

圖9為次級葉輪一個葉片的壓力面和吸力面的固體顆粒分布圖,壓力面的固體顆粒體積含量大于吸力面的固體顆粒體積含量,并且在葉片的進(jìn)口區(qū)域的固體顆粒體積含量大于葉片出口區(qū)域的固體顆粒體積含量.圖10為次級葉輪葉片壓力面與吸力面固體顆粒滑移速度分布圖,由圖可以看出葉片的進(jìn)口處以及壓力面的出口處固體顆粒的滑移速度都比較大,葉片中部附近的固體顆粒的滑移速度比較小.

由圖9和圖10可知葉輪進(jìn)口附近葉片的固相顆粒體積含量及固體顆粒的滑移速度都比較大,此處的磨損最大;葉輪出口處固體顆粒的滑移速度比較大,葉片在此處也有較大磨損;在葉片的中部區(qū)域磨損最小.

2.2 固相顆粒直徑大小對排水泵性能的影響

選用在標(biāo)準(zhǔn)工況下排量Q= 720 m3·h-1,固相顆粒體積含量為C1=10%,選用不同的顆粒直徑,其中固體的顆粒直徑分別為:d1= 0.3 mm,d2= 0.5 mm,d3= 0.7 mm,d4= 0.9 mm和d5=1.1 mm,分析固體顆粒直徑對水泵性能的影響,得到了不同顆粒直徑下的模擬特性參數(shù),如表1所示.

表1 多級排水泵在不同顆粒直徑下模擬特性參數(shù)

Tab.1 Simulation parameter for multistage pump indifferent particle diameter

顆粒直徑/mm顆粒體積含量/(%)揚程/m功率/kW效率/(%)0.310635.8751860.09174.580.510635.5641860.40274.530.710635.2131860.75374.480.910634.7841861.18274.411.110634.2731861.69374.33

由表1中數(shù)據(jù)可以看出顆粒直徑的大小對水泵揚程、功率以及效率都有一定的影響,水泵的揚程隨著顆粒直徑的變大而逐漸變小.功率隨著顆粒直徑的變大而逐漸變大.水泵的轉(zhuǎn)速不變,隨著總扭矩的增大功率自然也變大.效率隨著顆粒直徑的變大而逐漸變小,而且都小于清水介質(zhì)下水泵的效率.由以上的數(shù)據(jù)可以看出,顆粒直徑越大越不利于多級泵的水利運輸,揚程和效率變小.

2.3 固相顆粒體積含量對排水泵性能的影響

設(shè)置固體顆粒直徑d=0.3 mm,模擬不同固體顆粒體積含量下排水泵的性能,體積含量分別為C1=10%,C2=20%,C3=30%,C4=40%,C5=45%,表2為礦用多級排水泵在不同固體顆粒體積含量下的模擬特性參數(shù).

由表2看出,隨著固體顆粒體積含量的變大,水泵的揚程變小,并且變化趨勢明顯.這是由于輸送混合液需要耗費更多的能量.水泵功率隨著固體顆粒體積含量的變大而變大,當(dāng)固體顆粒的濃度很大時容易消耗過大的功率,進(jìn)而容易發(fā)生驅(qū)動設(shè)備的過載.隨著固體顆粒體積含量的增大,水泵的效率會逐漸變小,并且變化趨勢比較明顯.

表2 多級泵在不同固體顆粒體積含量下的模擬特性參數(shù)

3 模型優(yōu)化分析

選取固體顆粒直徑為0.3 mm、固體顆粒體積含量為10%時排水泵為研究對象,在后處理的云圖中發(fā)現(xiàn)排水泵的第一級葉輪與導(dǎo)葉內(nèi)的流動沒有規(guī)律,出現(xiàn)了嚴(yán)重的渦旋.

圖11 三級葉輪固體顆粒體積含量分布

圖12 第一級截面固體顆粒速度矢量分布

圖11為三級葉輪的固體顆粒體積含量分布云圖.由圖可知首級葉輪內(nèi)部的固體顆粒不能沿著徑向方向均勻分布并隨著液體排出,在首級葉輪的葉片吸力面附近區(qū)域造成了大量的固體顆粒堆積,對葉輪葉片的表面產(chǎn)生了嚴(yán)重的磨損.圖12為水泵第一級截面的固體顆粒速度矢量云圖,圖13為水泵第一級截面的固體顆粒速度矢量云圖局部放大圖.由圖12,13可以看出,在首級導(dǎo)葉的進(jìn)口處出現(xiàn)了渦旋,造成了固體顆粒的堆積,可見首級導(dǎo)葉處的渦旋是造成固體顆粒不規(guī)律流動的主要原因.

圖13 第一級截面固體顆粒速度矢量分布局部放大圖

針對導(dǎo)葉進(jìn)口處的渦旋現(xiàn)象,提出以下解決措施:

(1) 減小基圓直徑 當(dāng)選用較小的基圓直徑時,水泵內(nèi)的流動更加順暢,水泵的揚程與效率都有所增加.

所以在加工工藝允許的范圍內(nèi),選用較小的基圓直徑可以降低葉輪入口與導(dǎo)葉出口處的流動能量的損失.

(2) 改變喉部尺寸 當(dāng)喉部尺寸面積接近于正方形時水泵內(nèi)的流動得到改善,可見當(dāng)擴(kuò)散段的進(jìn)口寬度與喉部高度趨于相等時排水泵的流動性能得到了改善.

(3) 減小擴(kuò)散角 減小擴(kuò)散角角度可以提高水泵的揚程與效率,改變流動性能,通常擴(kuò)散角取6°～8°,所以在滿足要求的情況下盡量減小擴(kuò)散角.

(4) 改變導(dǎo)葉葉片數(shù) 改變導(dǎo)葉葉片數(shù),讓進(jìn)口喉部面積接近于正方形可以改變水泵的流動性能.

4 結(jié)論

(1) 排水泵在輸送固液兩相介質(zhì)時,葉輪進(jìn)口后蓋板附近區(qū)域、正導(dǎo)葉的凹面以及葉輪葉片進(jìn)口附近區(qū)域的磨損最大.

(2) 當(dāng)固體顆粒的直徑不同時,隨著顆粒直徑的變大,揚程和效率都變小而功率反而變大;當(dāng)固體顆粒體積含量不同時,隨著固體顆粒體積含量的變大,揚程和效率都變小而功率反而變大,變化幅度較大.

(3) 排水泵的第一級導(dǎo)葉進(jìn)口處出現(xiàn)了渦旋,導(dǎo)致流動的無規(guī)律性,造成了固體顆粒的大量堆積.提出通過改進(jìn)第一級導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)尺寸,減小導(dǎo)葉基圓直徑、改變喉部尺寸、減小擴(kuò)散角和改變?nèi)~片數(shù)來改善排水泵性能

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Impacts of solid particles on drainage pump performances of emergency drainage vehicles

Pertaining to the drainage pump performances of emergency drainage vehicles,the flow properties of solid-liquid two phases are speculated using numerical simulation.By analyzing the impacts of solid particles upon pump wear and external performance parameter,the model optimization metrics are postulated for good fluidity.Therefore,it is found from results that the wears are relatively larger near such areas as back cover,guide vane concave,impeller blade entrance.When the solid particle diameter increases,the variations are relatively smaller with throw and efficiency deceasing and power increasing.When the solid particle volume content increases,the variation increases with the same tendency.With analysis on the irregular internal flow field of the first stage impeller,the fluidity is improved.

mine drainage pump; solid-liquid two-phase flow; wear

遼寧省自然科學(xué)基金(20082150)

李寶良(1964-),工學(xué)博士,教授。E-mail:libl@djtu.edu.cn.

TH 311

A

1672-5581(2016)01-0026-06