離心式污水泵內(nèi)固液兩相流動特性數(shù)值研究*

陳佩賢 ，田政鋒 ，張海濤

（酒泉職業(yè)技術(shù)學院土木工程學院，甘肅 酒泉 735000）

0 引言

污水泵被廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，如市政工程、引水工程、水利建設(shè)等，特別是隨著國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施，污水泵被越來越多地應用于我國農(nóng)村生產(chǎn)和生活的污水處理當中[1]。離心式污水泵葉片少，不易堵塞，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，是污水泵中應用較為廣泛的泵型。泵的內(nèi)部流動特性能夠直接體現(xiàn)泵的性能優(yōu)劣，也是泵進行設(shè)計和優(yōu)化的重要依據(jù)，基于此，越來越多的學者針對這一現(xiàn)象進行研究。

在目前的研究中，數(shù)值模擬技術(shù)因為成本低、能獲得精細流場而得到了廣泛應用。趙萬勇等[2]以含沙水為介質(zhì)，利用數(shù)值模擬技術(shù)研究了不同沙粒粒徑和濃度對污水泵內(nèi)水流流動特性的影響，發(fā)現(xiàn)粒徑的大小對固體顆粒運動的影響較為明顯，大顆粒在流道中脫離了葉片工作面。劉建華等[3]基于SIMPLE算法和N-S方程，利用Fluent軟件對離心式污水泵內(nèi)固液兩相進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)葉片壓力面附近的顆粒多于吸力面，并且隨著固體體積濃度增加，泵內(nèi)各個端面的固體顆粒數(shù)量也在增加。曹衛(wèi)東等[4]以半開式切割泵為研究對象，采用標準k-ε湍流模型，基于ANSYS CFX軟件研究了泵內(nèi)兩相分布特性，發(fā)現(xiàn)不同固相體積分數(shù)和流量下，葉片尾部固相始終最大。程效銳等[5]基于相對坐標系下雷諾時均N-S方程，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，利用數(shù)值模擬技術(shù)研究了螺旋離心泵內(nèi)的流場特性。研究結(jié)果表明：不同固相顆粒體積分數(shù)下，軸向力基本不變化。鐘衛(wèi)等[6]利用ANSYS CFX軟件研究了不同隔舌安放角對離心泵流場特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)適當?shù)卦黾痈羯喟卜沤悄苁贡玫乃π矢咝^(qū)變寬。何朝輝等[7]基于Mixture模型，以雙流道蝸殼泵為研究對象研究了不同顆粒直徑下泵內(nèi)固液兩相流場分布特性，發(fā)現(xiàn)泵內(nèi)濃度隨著粒徑的增加而增加。萬麗佳等[8-10]以葉片數(shù)為研究變量，利用數(shù)值模擬技術(shù)研究了離心泵內(nèi)固液兩相的非定常特性，發(fā)現(xiàn)隨著葉片數(shù)的增加，離心泵內(nèi)瞬時揚程也會增大，并且蝸殼內(nèi)壓力脈動的幅值會減小。此外，葉片包角對泵內(nèi)流場的影響也不能忽略。雷可銘等[11]基于CFD方法，對雙吸雙流道泵內(nèi)固液兩相流的流動規(guī)律進行性能預測，發(fā)現(xiàn)含沙流動中，流道內(nèi)的脫流損失更嚴重，旋渦也更加明顯。同樣地，劉厚林等[12]也對雙流道泵內(nèi)固液兩相流進行CFD研究，發(fā)現(xiàn)顆粒體積、濃度變化對泵內(nèi)壓力分布有較大的影響。

綜上所述，可知目前針對泵內(nèi)固液兩相流動特性已有大量學者做了相關(guān)的研究，并且得到了較為豐富且成效顯著的結(jié)果，為泵內(nèi)固液兩相流動特性的研究奠定了十分重要的基礎(chǔ)。然而，對于離心式污水泵相關(guān)流場的研究卻不多見，這給污水泵的設(shè)計和優(yōu)化造成了較大的困難，也嚴重地制約著該泵型的進一步推廣和應用。鑒于此，本文以離心式污水泵為研究對象，對泵內(nèi)固液兩相流態(tài)進行研究，以便進一步解釋泵內(nèi)流動機理，旨在為該泵的設(shè)計優(yōu)化提供參考。

1 計算模型

本文以離心式污水泵為研究對象，利用三維建模軟件對水力部件進行設(shè)計，其基本的參數(shù)如下：流量為15 m3/h，揚程為20.6 m，轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，葉片數(shù)為2，葉輪直徑為160 mm，具體三維模型如圖1所示。

圖1 離心式污水泵三維模型

2 數(shù)值計算方法及設(shè)置

2.1 網(wǎng)格劃分

在完成水力模型建模之后，便要對離心泵進行網(wǎng)格劃分，也就是對連續(xù)的計算域進行劃分，確定每個區(qū)域的節(jié)點，并生成網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬中一個重要的環(huán)節(jié)，影響著數(shù)值模擬的準確性和精度。鑒于離心式污水泵葉輪流道扭曲，為了更好地適應幾何體，采用ICEM-CFD進行全流道非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并且對于流動復雜的區(qū)域進行局部加密，以便更加準確地捕捉泵內(nèi)的固液兩相流態(tài)。整個計算域網(wǎng)格分為進口域、葉輪域和蝸殼域3個部分。經(jīng)過檢查，滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求，最終的計算網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計算網(wǎng)格

2.2 邊界條件

基于雷諾時均N-S方程和SSTk-ω湍流模型，利用ANSYS CFX軟件對不同固體顆粒體積分數(shù)和顆粒直徑下的離心式污水泵內(nèi)固液兩相流動特性進行三維數(shù)值模擬計算。具體設(shè)置如下：葉輪轉(zhuǎn)速設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域，轉(zhuǎn)速為2 900 r/min；蝸殼和進口設(shè)置為靜止域，動靜部件之間的交界面設(shè)置為“Frozen Rotor”，液體和固體分別設(shè)置為連續(xù)相和離散相，并且設(shè)置不同的固體顆粒直徑，分別為1 mm、3 mm、5 mm；邊界條件設(shè)置為速度進口和壓力出口邊界，并且在進口設(shè)置固液兩相的體積分數(shù)，固相體積分數(shù)分別為1%、5%、10%；計算過程中設(shè)置迭代步數(shù)為3 000步，收斂殘差設(shè)置為10-5。

3 結(jié)果分析

3.1 泵內(nèi)壓力分布特性

顆粒直徑為3 mm時，不同顆粒濃度下污水泵內(nèi)壓力分布如圖3所示。由圖可知，不同顆粒濃度下污水泵內(nèi)壓力分布總體規(guī)律基本相似，即壓力從葉輪進口沿著流道逐漸增加，并且在蝸殼內(nèi)進一步整流增壓后排出。顆粒濃度對泵內(nèi)壓力分布影響最為顯著的位置是在葉輪進口處，顆粒濃度越大，葉輪進口附近低壓區(qū)越顯著。因此，高濃度輸送工況下的污水泵在設(shè)計時應該重點關(guān)注其抗空化性能。

圖3 不同顆粒濃度下泵內(nèi)壓力分布

顆粒濃度為5%時，不同顆粒直徑下泵內(nèi)壓力分布規(guī)律如圖4所示。由圖可知，顆粒直徑對泵內(nèi)壓力分布的影響較小，不如顆粒濃度影響明顯。和顆粒濃度影響一致，顆粒直徑影響的明顯位置也在葉輪進口處，但是影響程度小一些。

圖4 不同顆粒直徑下泵內(nèi)壓力分布

3.2 葉輪內(nèi)速度特性分布

顆粒直徑為3 mm時，不同顆粒濃度下葉輪內(nèi)速度流線分布如圖5所示。由圖可知，顆粒濃度對泵葉輪內(nèi)流態(tài)的影響較大，當Cv=1%時，發(fā)現(xiàn)葉輪壓力面出現(xiàn)了旋渦分布，并且旋渦沿著流道呈條狀分布，隨著顆粒濃度的逐漸增加，旋渦逐漸消失。與此同時，葉輪靠近出口位置的旋渦卻逐漸增強，當Cv=10%時，葉輪出口位置的旋渦較為明顯。由此可知，顆粒濃度對于泵內(nèi)流態(tài)分布的影響較為復雜，并且旋渦分布也在葉輪流道內(nèi)交替變化。

圖5 不同顆粒濃度下葉輪內(nèi)速度流線分布

3.3 葉輪內(nèi)固相顆粒體積分數(shù)分布

顆粒濃度為5%時，不同顆粒直徑下葉輪內(nèi)固相體積分數(shù)分布如圖6所示。由圖可知，不同顆粒直徑對于流道內(nèi)顆粒體積分數(shù)分布影響主要體現(xiàn)在葉輪進口區(qū)域附近。當顆粒直徑d=1 mm時，葉輪壓力面和吸力面以及葉輪進口附近固相顆粒體積分數(shù)較大；另外，在葉輪流道中，固相顆粒體積分數(shù)較大的位置主要集中在葉輪吸力面，并且葉輪中間流道的固相顆粒體積分數(shù)也較大。隨著顆粒直徑的增加，發(fā)現(xiàn)葉輪進口靠近吸力面的固相顆粒體積分數(shù)逐漸減小，而靠近壓力面的固相顆粒體積分數(shù)逐漸增加，同時葉輪流道中吸力面附近的固相顆粒體積分數(shù)也逐漸降低。當顆粒直徑d=5 mm時，發(fā)現(xiàn)靠近葉片進口吸力面的顆粒固相顆粒體積分數(shù)進一步減小，而靠近壓力面的顆粒固相顆粒體積分數(shù)進一步增加。總的來看，顆粒直徑對葉輪進口區(qū)域的影響還是不能忽略的。

圖6 不同顆粒直徑下葉輪內(nèi)固相體積分數(shù)分布

顆粒直徑為3 mm時，不同顆粒濃度下葉輪內(nèi)固相顆粒體積分布如圖7所示。由圖可知，隨著顆粒濃度的逐漸增加，葉輪內(nèi)固相顆粒主要集中在葉輪進口和進口壓力面附近，并且逐漸增加，而在葉輪出口附近的固相顆粒聚集沒有進口那么明顯。總之，要提高離心式污水泵的輸送能力，應該重點加強進口附近的設(shè)計。

圖7 不同顆粒濃度下葉輪內(nèi)固相顆粒體積分布

3.4 葉輪葉片表面壓力分布

不同顆粒濃度下，葉輪0.5倍葉高下的壓力分布如圖8所示。由圖可知，葉輪進口附近出現(xiàn)了低壓區(qū)，這與前面的分析結(jié)果一致，并且發(fā)現(xiàn)靠近葉片葉輪出口附近的壓力曲線出現(xiàn)了波動，這會使泵做功不穩(wěn)定，影響泵的運行效率，后續(xù)對葉片的優(yōu)化中應該針對此處進行優(yōu)化。從葉片吸力面和壓力面的壓力變化情況來看，顆粒濃度主要影響吸力面；在葉片位置方面，主要影響葉輪進口附近位置。隨著顆粒濃度的增加，發(fā)現(xiàn)葉片壓力面和吸力面的壓力均逐漸降低，但是壓力面和吸力面之間的差值，即葉片載荷基本保持不變。

圖8 葉輪0.5倍葉高下的壓力分布

4 結(jié)論

基于ANSYS CFX軟件對離心式污水泵內(nèi)固液兩相流動進行了數(shù)值計算，分析和總結(jié)了泵內(nèi)壓力、速度和固體顆粒分布規(guī)律，得到了以下結(jié)論：

1）顆粒濃度對泵內(nèi)壓力分布影響最為顯著的位置是在葉輪進口處，顆粒濃度越大，葉輪進口附近低壓區(qū)越顯著。另外，顆粒直徑影響明顯的位置也在葉輪進口處，但是影響程度小一些。

2）顆粒濃度對于泵內(nèi)流態(tài)分布的影響較為復雜，并且旋渦分布也在葉輪流道內(nèi)交替變化。葉輪流道內(nèi)旋渦沿著流道呈條狀分布，隨著顆粒濃度的逐漸增加，旋渦逐漸消失。

3）顆粒濃度的影響主要集中在葉片吸力面，并且葉輪中間流道的體積分數(shù)也較大。隨著顆粒直徑的增加，發(fā)現(xiàn)葉輪進口靠近吸力面的固相顆粒體積分數(shù)逐漸減小，而靠近壓力面的固相顆粒體積分數(shù)逐漸增加。顆粒濃度主要影響吸力面壓力分布，并且在葉輪進口附近的位置影響更大。隨著顆粒濃度的增加，發(fā)現(xiàn)葉片壓力面和吸力面的壓力均逐漸降低，但是壓力面和吸力面之間的差值，即葉片載荷基本保持不變。