利用Ansys-fluen t 模擬雙吸離心泵出口泥沙磨損

劉倍倍

（中國水利水電第十一工程局有限公司,河南 鄭州 450000）

0 引言

為了適應(yīng)社會發(fā)展的需要,黃河沿線修建了許多水利工程,但是黃河含沙量較高,水流攜帶的泥沙對沿線的水利設(shè)施造成了較為嚴(yán)重的磨損,從而影響了水利設(shè)施的正常使用。雙吸離心泵流量大、揚(yáng)程高、空化性能好,其在各行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用,在沿黃的抽水泵站中,超過70%采用雙吸離心泵[1-2]。由于泥沙的存在,使離心泵的過流部件出現(xiàn)了嚴(yán)重的沖蝕磨損,嚴(yán)重地影響了水泵的正常運(yùn)行,降低了水泵的工作效率,并對正常的生產(chǎn)造成了很大的影響。由于泥沙流動的性質(zhì)是固液兩相流,在離心式泵的過流區(qū)中,存在著固液耦合、顆粒間耦合、顆粒與壁面之間的撞擊和反彈[3],對離心泵的固液兩相流進(jìn)行了大量的研究,并對其進(jìn)行了深入的研究[4-5]。許洪元[6]等采用高速照相技術(shù),對離心泵葉輪內(nèi)的固體粒子的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),與數(shù)值模擬的結(jié)果相比較,二者具有良好的一致性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,顆粒密度、粒徑、葉輪的旋轉(zhuǎn)速度、葉輪角度等都會顯著地影響到顆粒的運(yùn)動。劉娟[7]等通過跟蹤固液流場中的粒子軌跡和固液兩相流的數(shù)值模擬,結(jié)果表明,分散相粒子的特性和葉輪的速度對固體粒子的運(yùn)動軌跡和撞擊過程具有顯著的影響。錢忠東[8]等人對不同的葉尖進(jìn)行了數(shù)值仿真,結(jié)果表明葉尖的磨損程度與流速和撞擊角有關(guān)。由于沿黃泵站內(nèi)流體的復(fù)雜程度和含沙量的特點(diǎn),對原型雙吸離心泵的磨損機(jī)理的研究尚屬空白。根據(jù)沿黃泵站的雙吸離心泵的特性,本文著重分析葉輪出口表面的砂粒磨損問題。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本文以一臺沿黃泵站的雙吸離心泵為例,計(jì)算時采用雙吸離心泵的設(shè)計(jì)流量 Qd=9000 m3/h,揚(yáng)程 Hd=70 m~75 m,額定轉(zhuǎn)速 n=750 r/min,葉輪葉片數(shù) Z=8,轉(zhuǎn)輪直徑 D=990 mm。

1.2 計(jì)算模型

將流體區(qū)域分為吸水室、葉輪和蝸殼三個不同的計(jì)算區(qū)域。目的是為了提高吸水室入口和蝸殼尾部的流態(tài)穩(wěn)定性,保證了數(shù)值模擬計(jì)算的精度。離心泵流體域模型見圖1。

圖1 離心泵流體域模型

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格分割

采用結(jié)構(gòu)六面體格網(wǎng),實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)的網(wǎng)格分割,加快了運(yùn)算速度。在圖2 中為網(wǎng)格分割,使用具有59983568 個葉輪網(wǎng)格、1480678 個吸水腔網(wǎng)格和1435860 個蝸殼網(wǎng)格。

圖2 各部件網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件設(shè)置

使用Ansys-fluent 軟件分析離心泵流道中的固-液兩相流,利用 SSTk-ω 模型建立湍流模型,選擇多基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)（MRF）,將葉輪區(qū)域作為轉(zhuǎn)動區(qū),將剩余的計(jì)算區(qū)設(shè)定為靜態(tài)區(qū)。在入口段設(shè)有流量入口,在出口段設(shè)有壓力出口,在固壁上沒有滑動,在動靜交界面使用 Interface 處理。

根據(jù)離心泵的工作狀態(tài),對其進(jìn)行數(shù)值模擬,以流量1.96 m3/s、出口壓力735000 Pa、泥沙濃度2.12 kg/m3、ρ沙2639 kg/m3、顆粒直徑 d=0.198 mm、轉(zhuǎn)速n=750 r/min。水體的含沙量為泵站的測量結(jié)果,離心泵的泵殼中分離出來的沙粒通過專業(yè)的檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)確定其顆粒特性。在無沙條件下通過數(shù)值仿真計(jì)算至穩(wěn)定后,利用歐拉-拉格朗日模型模擬泥沙的運(yùn)動軌跡,并應(yīng)用離散沖擊模型（DPM）方法進(jìn)行離散碰撞模型的仿真。

2.3 網(wǎng)格無關(guān)度分析

由于網(wǎng)格數(shù)目會影響數(shù)值計(jì)算的效果,所以需要對網(wǎng)格進(jìn)行非相關(guān)性檢驗(yàn)。在同一拓?fù)錀l件下,選擇5 組網(wǎng)格,其網(wǎng)格數(shù)為3.24×106,4.24×106,5.24×106,6.24×106,7.24×106。

計(jì)算不同的網(wǎng)孔數(shù)目,并分析了揚(yáng)程、效率和葉片的平均磨損率,從而選擇最合理的網(wǎng)孔數(shù)目。圖3（a）顯示,隨著網(wǎng)格數(shù)目的增大,揚(yáng)程和效率的變化趨于平穩(wěn)；圖3（b）顯示,在網(wǎng)格數(shù)目少時,葉片的平均磨損率隨網(wǎng)格數(shù)目的增大而增大；在考慮計(jì)算資源的情況下,采用5.9×106的網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬。為了精確地模擬近壁面區(qū)內(nèi)的紊流,對其部位的網(wǎng)格進(jìn)行加密再計(jì)算。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)

3 結(jié)果和分析

圖4 為葉片壓面尾端的實(shí)際磨損,表明在葉片壓面尾中部有顯著的顆粒劃傷。圖5 為葉片壓面處的磨耗強(qiáng)度計(jì)算的結(jié)果,該磨耗強(qiáng)度主要集中在壓力面的尾端,與現(xiàn)場的磨損區(qū)相符合,說明該數(shù)值方法能夠?qū)θ~片的磨損進(jìn)行預(yù)測。

圖4 葉片實(shí)際磨損圖

圖5 葉片磨損強(qiáng)度分布圖

圖6 為在葉片的壓力面上的固相沉積速率分布。通過現(xiàn)場實(shí)測磨削曲線的比較,結(jié)果表明,砂粒的高沉積速率與實(shí)際磨耗情況基本吻合,主要原因在于固體粒子的集中分布,增大了沖擊機(jī)率,從而增大了沙粒在這一區(qū)域的侵蝕磨損強(qiáng)度。

圖6 葉片壓力面固相沉積速率圖

圖7 為顆粒在葉片壓力表面的出口部分的相對速度分布。在葉面上粒子的相對速度分布是不均勻的,而在壓力面的末端,則是相對速度的集中和較大的區(qū)域。從離散相沖擊磨損模型中可以看出,粒子的相對速度對磨損的強(qiáng)度有很大的影響,隨著粒子的相對速度增大,葉片的磨損量也會增大。

圖7 葉片壓力面固相相對速度

圖8 為流動通道中單個粒子的運(yùn)動軌跡,其結(jié)果表明,粒子從葉輪吸力面入口部分向壓力面末端移動,并沿葉輪表面移動,最終從葉輪區(qū)域中流出。圖9 為葉輪內(nèi)的固體含量剖面分布。結(jié)果表明,在葉片壓力面端部存在著粒子移動的傾向。研究發(fā)現(xiàn),流道中的流場對粒子的運(yùn)動產(chǎn)生了一定影響,并使其在壓力面末端處的集中分布更加明顯,進(jìn)而導(dǎo)致了對葉尾的磨蝕和破壞。

圖8 單一粒子軌跡圖

圖9 葉輪中固相體積分?jǐn)?shù)分布圖

圖10 為流道渦和顆粒的軌跡的示意圖。在接近吸力面的末端,流道渦由吸力面向壓力面形成,并與流道中的液體一起流動。流道渦對粒子的運(yùn)動影響很大,粒子在通道內(nèi)受流道渦的影響發(fā)生自轉(zhuǎn),從吸力面的出口處向壓力面移動。流道渦的產(chǎn)生會使粒子的運(yùn)動軌跡發(fā)生變化,使壓力面出口處的粒子濃度增大,同時,由于出口處的流速很高,在粒子濃度和相對速度的影響下,壓力面尾處的磨損會更嚴(yán)重。

圖10 流道渦與顆粒軌跡圖

4 結(jié)論

泥沙磨損是影響雙吸離心泵工作性能與使用壽命的重要問題,從流道中的顆粒分布、顆粒軌跡、流道渦等角度,分析了影響其磨損失效的原因。總結(jié)如下：

（1）葉輪壓面尾側(cè)的磨蝕破壞與泥沙的分布特性和速度相關(guān),隨著泥沙的相對速度和密度的增大而增大。

（2）流道渦會顯著地影響到粒子的運(yùn)動,在通道內(nèi),粒子的運(yùn)動軌跡會由吸力面至壓力面。

（3）流道渦會使葉輪壓力面處的顆粒濃度增加,而在流道渦作用下,葉輪出口壓力面上的微粒濃度會變大,從而使磨蝕失效更加嚴(yán)重。