污水雜質對輸送泵的影響與測試研究

施利鋒

（浙江東嘉水務有限公司，浙江 杭州 310053）

我國是水資源貧乏的國家，人均水資源占有率僅為世界平均水平的1/4。由于城市規模不斷擴大，因此城市人口每天產生的污水量極大。最新的數據顯示，我國各大城市每年的污水排放量為1000 億m3，日均污水排放量為37億t。在這種情況下，各大城市都建造了不同數量的污水處理廠，并配置各種排污設備和污水處理設備，以緩解城市污水排放導致的一系列壓力。在各種污水處理設備中都包括不同類別的元件，如閥類裝置、泵類裝置、風機類裝置以及除泥沙類裝置等[1]。其中輸送泵是進行污水傳送的重要裝置，對排污除污有十分重要的作用。然而，污水中含有的固體雜質主要是各種尺度大小的砂粒，對輸送泵及其關鍵部件有較大的影響[2]。如果不能準確分析并了解污水雜質對輸送泵的影響強弱和規律，就不能正常使用輸送泵不能張，對污水處理的整體工作也會造成十分不利的影響。該文以輸送泵配件V 型槽為研究對象，探討污水中雜質對其產生的影響，以達到有效保護輸送泵的目的。

1 污水流體及輸送泵V 型槽建模

污水中雜質對排污裝置的沖蝕磨損等影響是以污水水流為載體的。該文以輸送泵中的V 型槽為研究對象，分析污水流經輸送泵的V 型槽時，水中雜質對V 型槽所造成的影響。需要對污水流動狀態進行流體力學建模，同時對輸送泵的V 型槽建模。在三維仿真軟件中，污水流體力學建模和輸送泵V 型槽建模結果，如圖1 所示。

圖1 中，圖1（a）為污水流動過程中形成的流體域模型，圖中也標注了流體域的幾何尺寸，用長方體網格描述流體域整體，其進水口（Inlet）是邊長為40mm 的正方形形狀，其出水口（Outlet）也是邊長為40mm 的正方形形狀。圖1（b）為輸送泵V 型槽的局部形式俯視圖。輸送泵V 型槽的長度為40mm，開口形狀為倒三角形，最大開口寬度位于最上方，開口度大小為4mm，V 型槽的深度為3mm。與輸送泵V 型槽的最大液量開度（1GL）相比，流體域模型進水口一側液量開度為其20 倍，即20 個GL；流體域模型出水口一側液量開度為其10 倍，即10 個GL；從圖1（a）中也可以看出，進水口和出水口之間用1 個GL 的液量開度單位進行連接。圖1（c）為污水流體域的三維網格圖，圖1（d）為V 型槽界面的三維網格圖。

圖1 污水流體建模和輸送泵V 型槽建模結果

當污水流經V 型槽時，對V 槽沖蝕磨損的作用主要來自于污水中的雜質，即各種粒徑大小的固體小砂粒。根據該文研究的實際情況，污水中的雜質通常包括粒徑為20μm 大小的砂粒，粒徑為75μm 大小的砂粒，粒徑為125μm大小的砂粒，粒徑為300μm 大小的砂粒，粒徑為425μm 大小的砂粒。由于粒徑不同，因此磨損作用有差異，污水中砂粒濃度的不同也會導致沖蝕作用的不同。根據該文研究的實際情況，污水的類型通常包括雜質為1%濃度大小的污水，雜質為3%濃度大小的污水，雜質為5%濃度大小的污水，雜質為10%濃度大小的污水，雜質為20%濃度大小的污水。

2 污水雜質對輸送泵的沖蝕磨損分析

在構建污水流體模型和輸送泵V 型槽模型后，需要運用流體力學進一步分析污水中雜質對輸送泵V型槽的沖蝕磨損等作用。因為污水流動的過程符合湍流狀態，所以可以運用湍流模型進行相關分析。在湍流模型中，最常用的是離散相變模型，這里就采用該模型進行具體分析。

在整個流體作用場內，散布著各種粒徑大小的砂粒，這些砂粒的運動狀態和運動軌跡，都可以根據離散相變模型進行計算。前面的建模工作，可以具體到對每個砂粒進行形狀和體積建模，只要能提供足夠多的相關信息，包括粒徑大小、砂粒所在的位置等。但是建模過程中不能以砂粒周邊污水作為流體的流動細節，這些細節包括污水形成渦流的狀態，污水是否會形成流動分離，污水整體內部是否會出現分層和邊界等。

根據拉格朗日的視圖學分析理論，污水作為流體流動過程中的砂粒運動是可以被有效跟蹤的。砂粒和其形成的連續相變之間形成耦合關系，但是這種連續相變不容易進行計算，其計算過程很難達到收斂狀態。為此，需要通過更多的迭代步驟才能完成這種收斂。為了準確地了解污水中雜質砂粒的運動軌跡，一般每隔5 步就需要更新迭代一次，這樣才能準確了解砂粒狀態，由此可以得到砂粒在整個流體體積中的最大占比為12%，如公式（1）~公式（3）所示。

式中：ρ為污水的整體密度大??；VS為砂粒的總體體積大小；VL為水的總體體積大小；MS為砂粒的總體質量大??；ML為水的總體質量大小。

根據公式（3）可知，離散相變模型污水質量濃度的上限不能超過17.42%，進一步可以確定試驗中能夠模擬的污水中雜質的最高濃度為20%。

當污水中砂粒和輸送泵外殼上的V 型槽產生碰撞時，形成的沖蝕和作用強度由變形量決定。如果砂粒和V 型槽都是剛體，那么在碰撞發生的過程中，可以通過二者之間的重疊度來衡量這個變形量的大小。根據經驗可知，在正常碰撞發生時，法向上作用力的彈性系數要滿足以下條件：為了保證發生碰撞的2 個物體能形成最大的粒子包和相對速度，必須設定更大的彈性系數。同時，2 個物體碰撞時的重疊度大小不能超過粒子包太多，可以得到碰撞過程中彈性系數的計算結果，如公式（4）所示。

式中：k為彈性系數的大??；π 為圓周率常數；v為砂粒和V 型槽發生碰撞時的相對速度；ε為砂粒和V 型槽發生碰撞時的重疊度；D為砂粒粒子包直徑大小；ρ為砂粒的密度。

3 污水雜質對輸送泵影響的測試試驗

在前面對污水和輸送泵V 型槽進行了三維網格建模，并對污水流動過程中污水中雜質對輸送泵V型槽的沖擊作用進行分析。接下來，將通過具體的試驗來測試污水雜質對輸送泵V 型槽的沖蝕磨損作用。

首先測試不同砂粒濃度污水對輸送泵V 型槽表面形成的沖蝕率，其結果如圖2 所示。

圖2 不同砂粒濃度對輸送泵V 型槽的沖蝕率變化曲線

在試驗過程中，因為這個位置受到的污水沖蝕作用最強，所以選擇輸送泵V 型槽迎流面作為測試位置。從圖2中的曲線變化可以看出，污水中砂粒濃度的大小與其對V型槽產生的沖蝕率呈正比。如果以污水中砂粒濃度為1%的V型槽沖蝕率作為基準，那么當污水中砂粒濃度達到5%時，V 型槽產生的沖蝕率為基準沖蝕率的5.5 倍；當污水中砂粒濃度達到10%時，V 型槽產生的沖蝕率為基準沖蝕率的11 倍；當污水中砂粒濃度達到15%時，V 型槽產生的沖蝕率為基準沖蝕率的16.5 倍；當污水中砂粒濃度達到20%時，V 型槽產生的沖蝕率為基準沖蝕率的21 倍?？梢姡鬯须s質濃度越高，對輸送泵外殼V 型槽產生的沖蝕磨損作用越大、破壞作用越強。

進一步觀察不同雜質濃度V 型槽迎流面出污水速度的變化，如圖3 和圖4 所示。

圖3 三維坐標系中Y 方向的速度變化

圖3 是V 型槽迎流面在y方向因雜質濃度不同所形成的污水流速的變化。圖中，橫坐標軸為V 型槽迎流面在y方向的不同位置，縱坐標軸為V 型槽迎流面在y 方向的不同速度。圖3 分別考察了污水中砂粒濃度為1%、3%、5%、10%、20%的情況。

從圖3 中的變化曲線組可以看出，V 型槽迎流面y方向的污水流速為不規則變化曲線，由于接觸位置不同，因此污水流速形成了上下波動的曲線。在y方向接近0 位的位置，即迎流面沖擊點的位置，污水流速接近0 并且不因雜質濃度而變化，這是因為在該時刻由于沖擊碰撞作用導致水流瞬時失速。距離沖擊點較遠的位置，例如-2.5 mm的位置，流速也趨近于0。在0.2 mm~0.3 mm 的位置其污水流速達到正向最大值。在-0.7 mm~-0.8 mm 的位置，污水流速達到負向最大值。

從各曲線的對比情況看，雜質濃度越低，產生的正向流速越快，雜質濃度越高，產生的負向流速越快。因此，砂粒濃度為1%的污水流速變化曲線始終處于最上方，砂粒濃度為20%的污水流速變化曲線始終處于最下方。

圖4 是V 型槽迎流面在z方向因雜質濃度不同所形成的污水流速的變化。圖中，橫坐標軸為V 型槽迎流面在z方向的不同位置，縱坐標軸為V 型槽迎流面在z方向的不同速度。圖4 分別考察了污水中砂粒濃度為1%、3%、5%、10%、20%的情況。

圖4 三維坐標系下Z 方向的速度變化

從圖4 中的變化曲線組可以看出，V 型槽迎流面z方向的污水流速為相對規則變化的單調遞增曲線，因接觸位置的不同，污水流速形成了逐步上揚的曲線。在z 方向接近0 位的位置，即迎流面沖擊點的位置，污水流速達到最大值并且不因雜質濃度而變化。在距離接觸點越遠的地方，污水z向流速越小，如-0.5 mm 位置處污水z向流速為0.5 m/s，與0 位位置的2.8 m/s 相比大幅度下降。

從各曲線的對比情況看，雜質濃度越低，產生的流速越快，雜質濃度越高，產生的流速越慢。因此，砂粒濃度為1%的污水流速變化曲線始終處于最上方，砂粒濃度為20%的污水流速變化曲線始終處于最下方。

4 結論

在城市排污工程中，污水雜質對排污設備有較大的影響。該文以污水中砂粒對輸送泵外殼上V 型槽的沖蝕磨損影響為具體內容進行研究。首先，對污水和輸送泵V 型槽進行三維建模。其次，根據離散相變模型對污水中砂粒和V 型槽表面形成的彈性碰撞進行力學分析。最后，針對污水中砂粒對V 型槽表面形成的沖蝕磨損作用進行測試，測試結果表明，污水中雜質濃度越高，對輸送泵外殼V 型槽產生的沖蝕磨損作用越大，破壞作用越強；雜質濃度越低，產生的正向流速越快，雜質濃度越高，產生的負向流速越快。