旋流泵内颗粒分布特性及对泵性能的影响

旋流泵结构简单、过流部件不易磨损，在输送含有较大颗粒和较长纤维流体时，过流能力强且运行稳定，广泛应用于输送液固两相流的场所。

1954年，第-台污水旋流泵诞生，之后，各国的学者对旋流泵的内流特征、外特性能进行了数值与实验研究，发现旋流泵内部同时存在循环流与贯收稿 日期： 2013-03-05基金项 目： 国家自然科学基金资助项 目(51106066)通流，泵内流尺有较强的纵向旋涡和轴向旋涡 圳。

然而不同粒径、浓度时旋流泵内的颗粒分布特性及对泵性能的影响尚没有完全弄清楚，因此本文对不同粒径、浓度时旋流泵内的液固两相流动进行数值模拟，分析颗粒在泵内的分布特性以及颗粒存在对泵性能的影响，为研究泵的磨损以及外特性预测提供-定依据。

l6 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.5，20132 数值计算方法2.1 旋流泵基本参数及计算域旋流泵基本参数如表 l所示，图 1为旋流泵结构示意。数值模拟计算区域为从泵进 口到出口的整个流道，计算区域分为两个部分：叶轮旋转区域和静止区域。网格划分采用非结构化网格，并对局部进行了加密，整个计算模型的网格数目约为 82万。

表 1 旋流泵基本参数参数 数值流量 q。(m /h) 14扬程 (m) 4.5转速 n(r/min) 1450比转速 n l06叶轮外径 D：(mm) 120叶片数 8图 1 旋流泵结构示意2.2 数学模型及边界条件对泵 内液 固两相流进行数值模拟时，选择Eulerian模型，假设流体相为不可压缩流体，颗粒为理想球形，颗粒相视为连续介质；颗粒相与流体相的相问作用力只保留狭义的相问阻力～多相流视为互相渗透的连续性介质，分别求解每-相的动量方程和连续性方程，液固交换系数采用Wen-Yu模型，颗粒碰撞归还系数设为0.9。

连续性方程为：V.(c )：0 (1)液相动量方程为：V.(cfplu - Cyp ·下fc fgK ( -M ) (2)固相动量方程为：V-(c ) - - ·r C P g (1，l- ) (3)式中 c 、c --液相、固相体积分数、Us--液相、固相速度矢量K --液固两相间动量交换系数g--重力加速度Pf --液相、固相密度P--压力下--切应力进口边界取为速度边界条件，假设进口边界上速度均匀分布，速度方向垂直于进口，给定进口混合流体的湍流强度和进口水力直径值；出口边界上，认为此处流动已充分发展，取自然出流边界条件；固壁使用无滑移条件，在接近固体壁面区域采用壁面函数法。计算时所用的两相流介质为水和颗粒的混合流，定义水为第-相，颗粒为第二相，为与后续试验结果进行对比，固体颗粒选用球形玻璃珠。本文计算了粒径 d分别为 0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.3mm，体积浓度 c 分别为 0.2%、0.6%、1%、3%、5%，不同工况下旋流泵内的液固两相流动。

3 计算结果与讨论3.1 颗粒分布结果旋流泵内颗粒的分布是惯性力和对流等共同作用的结果。为了分析旋流泵内颗粒的分布，本文通过划分轴截面、轴面的方法进行研究，轴截面的划分(参考图 1)是以叶轮后盖板为基准面，规定 z向为从叶轮后盖板指向泵吸人口的方向，则按 z向，Z0.5b：、1.25b。等分别表示距离后盖板 0.5b 、1.25b 倍叶片宽处的轴截面，依此类推。

3.1.1 叶轮内颗粒分布图2为d0.05mm，C 1%，Pq。时旋流泵内部 Z0.5b 轴截面上的颗粒分布等值线。

计算结果显示，在叶轮内部，同-半径上从叶片工作面到背面存在明显的浓度梯度，工作面附近的颗粒浓度明显大于叶片背面的浓度，这是颗柳入泵内在惯性力和对流等作用下的结果，颗柳入叶轮后，在惯性力的作用下，趋向于叶片工作面；从进口到出口，叶片背面附近颗粒浓度有所提高；在隔舌处出现颗粒的聚集。

2013年第41卷第5期 流 体 机 械 17图2 Z0.5轴截面颗粒分布图3为 d0.05ram，C 1%，Q 时旋流泵内部轴面上颗粒分布等值线。

图 3 轴面颗粒分布分析图3发现，在叶轮内不但在径向存在颗粒浓度梯度，在轴向也存在浓度梯度 ，无叶腔内颗粒浓度大于叶轮内的颗粒浓度 ，颗粒浓度最大处为无叶腔壁面靠近前泵盖区域。这是由旋流泵的特殊结构决定的，旋流泵的主要特点是叶轮退缩在压水室后面的泵腔内，无叶腔内同时存在贯通流和循环流，在输送固液两相流时，部分固液两相流不经过叶轮而直接从蜗壳流出，而进入叶轮内部的固液流，由于循环流的作用，又有部分颗粒回到无叶腔中，同时这也是旋流泵过流能力强不易磨损的原因。

3.1.2 无叶腔内颗粒分布以沿不同轴向位置处直径方向上的颗粒体积浓度分布来说明无叶腔内的颗粒分布规律，分 3个轴向位置，即Z1.25b2、1.75b2、2.25b2，横坐标 尺为径向尺寸相对于无叶腔半径的无量纲距离。为便于分析，结合浓度分布曲线的特征，将颗粒浓度分布分为中心部(对应吸人口直径范围)、中间部(对应叶轮工作直径范围和外缘部(大于叶轮直径直至压水室壁面范围)3个部分 ]。

图4为 d0.05mm，C 1%，Q 时无叶腔内不同轴截面颗粒的分布。分析发现无叶腔中的颗粒浓度分布以泵轴为中心呈现-定的轴对称分布；中心部颗粒浓度在不同轴截面上基本保持- 样；中间部的颗粒浓度变化较大，最初段颗粒浓度先下降，然后随着半径增大，颗粒浓度又逐渐升高；到了外缘部分，靠近叶轮的轴截面Z1.25b ，在叶轮出流作用下 ，颗粒向前泵盖和无叶腔内壁方向运动，造成浓度降低；后随半径增大至近壁区，浓度快速升高，靠近前泵盖附近的轴截面Z2.25b ，浓度随着半径增大快速升高，在靠近前泵盖的压水室内壁面附近颗粒明显聚集，固体颗粒浓度达到最高点。

o.008外缘部外缘部- 1.0 O.O 1.0R图4 不同轴截面上颗粒分布图5为 C l%，QQ。，d分别为0。05mm、0.15mm、0.30ram时无叶腔内Z1.75b2轴截面颗粒的分布。

0.O图 5 不同粒径时轴截面上颗粒分布分析发现：小粒径时，由于颗粒的惯性较小，颗粒的跟随性更好，无叶腔内的颗粒分布比较均匀；大粒径时，颗粒在中间部分布的比较少；到了外缘部分，大粒径时固体颗粒在压水室内壁面聚集的更加明显，说明大粒径颗粒在惯性力作用下趋向于压水室内壁面内壁面。

图6为d0.05mm，QQo，C 分别为0.2%、l%和5%时无叶腔内Z1.75b2轴截面上颗粒的分布。

度浓 ∞ 猁川 肿肿m肿m #O0 OO O O 0部6 66 魏. 口 鍪l 2 0盘音 三～二二. 0 18 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.5，2013图6 不同体积浓度时轴截面上颗粒分布分析发现 3种体积浓度下无叶腔内颗粒的分布趋势几乎-样 ，这就说明颗粒浓度对颗粒在无叶腔内的分布规律几乎没有影响。

图7为 d0.05mm，C ：1%，Q分别为0.6Q。、1.0 Q0、1.2 Q。时无叶腔内Z1.75b：轴截面颗粒的分布。

0.0240.0l20.000O.O尺图7 不同流量时轴截面上颗粒分布分析发现：大流量时，由于初始速度比较大，受内流的影响相对较弱，颗粒浓度约为 l%的区域向中间部扩展，中间部颗粒浓度要大于小流量时。

3.2 外特性预测图8、9为旋流泵在不同粒径时的效率和扬程。分析该图可得，颗粒浓度不变时，泵效率和扬程随着粒径的增加而降低，本文认为，根据两相流输送机理的分析可知，颗粒越细，维持其悬浮所需的能量越小，损失也就越小 ，也即颗粒越细越易于水力输送。

图9 不同粒径时泵的扬程图 l0为旋流泵在不同颗粒浓度时的效率。

分析该图可得，粒径不变时泵效率随颗粒浓度的增加而略有下降，这是由于固相体积浓度增加，造成泵内摩擦损失增加，所以导致效率下降。

图l0 不同颗粒浓度时泵的效率(1)旋流泵内无叶腔的颗粒浓度大于叶轮内的颗粒浓度，颗粒浓度最大处为靠近前泵盖附近的压水室内壁面附近，叶片工作面附近的颗粒浓度明显大于叶片背面；(2)无叶腔 3个部分颗粒分布特性各不相同；小粒径时，无叶腔内颗粒分布比较均匀；大粒径时，中间部最初段颗粒浓度下降较慢，外缘部分，固体颗粒在无叶腔内壁面聚集更加明显；颗粒浓度对颗粒在无叶腔内的分布几乎没有影响；大流量下中心部颗粒浓度几乎不变的区域向中间部扩展，中间部颗粒要多于小流量条件下；小流量时固体颗粒向无叶腔内壁面聚集的更加明显；(3)颗粒对泵外特性影响较大，随着粒径的增加旋流泵的效率和扬程会减小，随着颗粒浓度的增大，泵的效率会降低。

(下转第71页)2013年第41卷第5期 流 体 机 械 71Conference on Natural Working Fluids at Purdue， [17]2000，99-106。

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作者简介：杨俊兰(1971-)，女，博士，教授，主要从事制冷与热泵技术，可再生能源应用技术研究，通讯地址：300384天津市西青区津静公路26号 天津城市建设学院能源与安全工程学院。