含沙水下粒徑對螺旋離心泵磨蝕效應(yīng)的數(shù)值分析

權(quán) 輝1，李仁年1 ， 蘇清苗

(1.蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050；2.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070)

在自然界中，水流經(jīng)常夾帶著懸浮的泥沙、固體顆粒及其他雜質(zhì)，成為自然界水流運(yùn)動最普遍的現(xiàn)象[1]。這使得在含沙量比較大的河流運(yùn)行的流體機(jī)械長期受到泥沙沖擊而產(chǎn)生汽蝕和磨蝕效應(yīng)，其使用壽命大大減少。雜質(zhì)泵中性能優(yōu)越的螺旋離心泵，是一種把螺旋泵與離心泵2者的優(yōu)勢融合為一體的固液兩相流泵，其獨特的結(jié)構(gòu)可將2者的優(yōu)勢充分發(fā)揮，螺旋離心泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 螺旋離心泵結(jié)構(gòu)圖

國外對雜質(zhì)泵磨損規(guī)律的研究較早，做過大量的基礎(chǔ)性試驗和理論分析等工作。日本的Yoshiro Jwai等[2]在不同的實驗條件下，給出了計算磨蝕損失的經(jīng)驗公式，Craig I. Walke等[3]通過實驗得出了磨損對主要參數(shù)影響的經(jīng)驗公式。在國內(nèi)，羅先武[4]、田愛民等[5]為研究葉片參數(shù)、顆粒濃度、葉輪轉(zhuǎn)速以及葉片數(shù)對磨損的影響，采用了失重法、磨損量測法和表面涂層法等。在螺旋離心泵內(nèi)部，由于固相和液相的密度不同，導(dǎo)致產(chǎn)生滑移速度，這不但影響了泵的水力性能，而且容易使固體顆粒容易和過流表面沖突造成泵過流部件的磨損等問題，如果磨損嚴(yán)重的話常常使得泵腔內(nèi)的汽蝕性能大大降低，進(jìn)一步惡化其內(nèi)部流動情況。圖2是甘肅興堡川引黃灌泵站葉輪運(yùn)行6個月后的磨損狀況，可以看出磨損是非常嚴(yán)重的。因此，磨蝕效應(yīng)仍然是含沙河流中流體機(jī)械長久穩(wěn)定和安全運(yùn)行所要解決的主要問題。

圖2 雙吸泵檢修葉輪磨蝕狀況

1 泥沙磨蝕機(jī)制

1.1 泥沙磨蝕機(jī)制

關(guān)于對磨蝕機(jī)制的研究，長期以來都有爭論。第1種理論是先空蝕后泥沙磨損，第2種理論是先泥沙磨損，后才產(chǎn)生空蝕破壞，還有1種理論是泥沙磨損與空蝕2者聯(lián)合作用的結(jié)果，作者更認(rèn)同最后一種說法。本文就含沙水顆粒粒徑對螺旋離心泵磨蝕作一定的研究。

1.2 顆粒磨蝕模型

采用數(shù)值模擬方法探究螺旋離心泵在含沙水下的磨蝕情況，選用離散相模型，在所有的壁面監(jiān)視顆粒的磨蝕與沉積情況，其中磨蝕速率[6]定義為

(1)

式中：N為顆粒數(shù)；m為顆粒質(zhì)量流率；C(d)為顆粒直徑的函數(shù)；a為顆粒對壁面的沖擊角；f(a)為 沖擊角函數(shù)；v為顆粒相對于壁面速度；b(v)為相對速度函數(shù)；A為顆粒在壁面上的投影面積。

2 模型建立及數(shù)值方法

2.1 模型泵的參數(shù)及網(wǎng)格劃分

選用150×100LN-32型螺旋離心泵建立模型，其各項性能參數(shù)為：流量Q=165 m3/h，揚(yáng)程H=32 m，轉(zhuǎn)速n=1 480 r/min，軸功率P=23.2 kW。

將整個計算區(qū)域按特性分為3段，由2個耦合面來處理動靜干涉，進(jìn)口段和蝸殼采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，葉輪旋轉(zhuǎn)域采用貼合性較好的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，整個流道網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為89 403，單元總數(shù)為507 886，并進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性檢查，整機(jī)計算域和網(wǎng)格如圖3所示。

(a)邊界示意圖

(b)網(wǎng)格劃分

2.2 數(shù)值方法

對于輸送含沙水，選用DPM模型和k-ε湍流模型，流體為清水(water)，固相沙粒(sand)作為惰性顆粒。其中，DPM模型中進(jìn)口設(shè)置為質(zhì)量流率以面射流源形式進(jìn)入整個計算域，旋轉(zhuǎn)區(qū)域的離散相邊界為彈性反射。為保證解的收斂性，引入亞松馳因子，經(jīng)試算，選用壓強(qiáng)項亞松弛系數(shù)為0.3，動量項亞松弛系數(shù)為0.1，紊動能亞松弛系數(shù)為0.05，耗散率亞松弛系數(shù)為0.05時，可得到收斂解[7-8]。當(dāng)模擬兩相耦合過程時，首先計算得到收斂或部分收斂的連續(xù)相流場，然后再創(chuàng)建固相噴射源進(jìn)行耦合計算。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

由于葉輪是螺旋離心泵的主要做功部件，也是最易因磨蝕而破壞的部件，因此文中選用流體介質(zhì)為黃河含沙水，固體密度為2 650 kg/m3，在最優(yōu)工況下運(yùn)行時一般固相體積分?jǐn)?shù)約為5%；選用顆粒大小分別為0.076 、0.5 、1 mm對葉輪域的磨蝕情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果及分析如下。

3.1 顆粒體積濃度變化

圖4為顆粒大小分別為0.076、0.5、1 mm下的葉輪域的固相體積濃度分布云圖。

(a)d=0.076 (b)d=0.5

(c)d=1

由圖4(a)、(b) 和 (c)葉輪濃度分布可以看出，濃度分布比較紊亂，葉片背面外緣處濃度分布明顯高于靠輪轂側(cè)的濃度分布，工作面在螺旋段進(jìn)口部分和離心段出口部分外緣濃度分布高于靠輪轂側(cè)濃度分布，其他部分濃度相差不大，小顆粒沒有往輪轂聚集的趨勢，這與國內(nèi)對顆粒運(yùn)動軌跡的研究結(jié)論一致。

3.2 葉輪域速度變化

葉輪表面的法向速度對葉輪主要是沖擊破壞，切向速度對葉輪表面主要是磨蝕破壞，工作面為葉輪做功面。圖5為粒徑0.5 mm時的固相沿工作面輪緣、輪轂的速度變化。

(a) 法向速度變化

(b)切向速度變化

由圖5(a)和(b)可以看出：無論是法向速度還是切向速度，沿葉輪工作面的輪緣處的速度整體上大于輪轂處，這說明磨蝕在輪緣處要比輪轂處更容易發(fā)生；對比葉輪同一位置可以看出，無論在輪緣還是輪轂，切向速度整體大于法向速度，也就是說在沖擊磨損和磨蝕中，切向速度的大小決定了磨蝕的程度。下面就不同顆粒粒徑下的磨蝕進(jìn)行分析。

3.3 磨蝕云圖

在FLUENT軟件中，DPM模型中參數(shù)Erosion Rate是對磨蝕程度衡量的一個重要參數(shù)，單位為kg/(m2·s)。圖6為顆粒大小分別為0.076 、0.5、1 mm下的葉片域的Erosion Rate變化云圖。

(a)d=0.076

(b)d=0.5

(c)d=1

由圖6(a)、(b)和(c)葉片的磨蝕云圖可以看出：粒徑分別為0.076、0.5、1 mm時，葉片域的磨蝕云圖變化基本一致，說明了粒徑對葉輪的磨蝕局域變化影響不大；從磨蝕指標(biāo)Erosion Rate可以看出，粒徑越大，磨蝕指標(biāo)Erosion Rate越大，也就是說粒徑?jīng)Q定了磨蝕的程度。

綜合體積濃度變化和磨蝕指標(biāo)來看，粒徑越大，顆粒在葉片輪緣聚集越多，濃度體積梯度越大，對輪緣的磨蝕比靠輪轂側(cè)的嚴(yán)重。同時，粒徑越大，在模擬中并不是磨蝕越明顯，通過分析可知，磨蝕是多因素綜合決定的，除了粒徑之外，還與顆粒的硬度、速度、沖擊角等有關(guān)。

4 結(jié)論

1) 顆粒粒徑對顆粒運(yùn)動軌跡的影響較大，顆粒粒徑越大，越偏向葉片的輪緣，對輪緣的破壞越嚴(yán)重；

2) 對于同一種顆粒，由于粒子比重一樣，在葉輪作用下，顆粒大對葉輪的沖擊越大。同時，形成體積濃度的梯度不均勻，更加劇了磨損的破壞程度；

3)磨蝕是一個綜合作用的共同效應(yīng)，本文只是從固相粒徑的方面進(jìn)行一定的探究，還有待進(jìn)一步研究固相多因素對磨蝕的影響。

[1]吳玉林.水力機(jī)械空化和固液兩相流體動力學(xué)[M].北京：中國水利水電出版社，2007：1-6.

[2]Yoshiro Jwai, Kazuyuki Nambu. Slurry Wear Properties of Pump Lining Materials[J].Wear，1997，210:211-219.

[3]Craig I Walker, Greg C Bodkin. Empirical Wear Relationships for Centrifugal Pumps Part Ⅰ: side-lines[J]. Wear 242, 2000:140-146.

[4]羅先武.離心泵葉輪內(nèi)磨損規(guī)律的實驗研究[D]. 北京：清華大學(xué)，1996.

[5]田愛民，許洪元，羅先武，等.離心式渣漿泵葉輪的磨損規(guī)律研究[J].水泵技術(shù)，1997(6)：7-10.

[6]趙新學(xué)，金有海，孟玉青，等. 旋風(fēng)分離器壁面磨損的數(shù)值分析[J]. 流體機(jī)械, 2010, 38(4)：18-22.

[7]李仁年，齊學(xué)義，張建華．用能耗極值原理模擬水輪機(jī)內(nèi)含沙水流的數(shù)學(xué)模型[J].動力工程，2003，19(5)：399-402．

[8] Wu Yulin，Oba R，Ikohagi T. Computation on Turbulent Dilute Liquid-panicle Flows through a Centrifugal Impeller[J]. Japanese J Multiphase Flow，2004，8(2)：118-125.