復合葉輪絞吸泵的性能預測

胡 俊，楊赟卿，張玉蓮

(1.浙江海洋學院船舶與海洋工程學院,浙江舟山 316022;2.浙江省近海海洋工程技術重點實驗室,浙江舟山 316022)

復合葉輪絞吸泵的性能預測

胡 俊1，2，楊赟卿1，張玉蓮1，2

(1.浙江海洋學院船舶與海洋工程學院,浙江舟山 316022;2.浙江省近海海洋工程技術重點實驗室,浙江舟山 316022)

漁業養殖在一定程度上滿足了人們對魚產品的需求,減緩了漁業資源的衰退,但是因為水土沉積、排泄物堆積等問題需要進行定期的疏浚作業,針對此問題對疏浚船的絞吸泵進行了相關設計。為了更好的了解所設計的絞吸泵的工作性能,采用計算流體動力學軟件Fluent中的標準湍流模型,在過流物質為固液兩相的泥水混合物時,對在不同流量點時絞吸泵內部的三維非定常流場進行數值分析,分析了在不同流量時絞吸泵內部的壓力流場和速度流場的分布變化,同時對模型泵進行了實驗測試。結果表明:流量在0.8 Q[U1]～1.2 Q之間絞吸泵內部的流場分布較其他流量點更好,模型泵在該區間的被破壞程度也較輕,所以認為該流量范圍為絞吸泵的合理工作范圍。

絞吸泵;計算流體動力學;數值分析;流場分布;流量

隨著養殖業的不斷發展,養殖的區域和范圍不斷擴大,魚類養殖產生的排泄物越來越多,人們往往將排泄物隨意排放,導致近海的淤泥越積越多,需要定期進行疏浚作業。

目前的疏浚作業主要分為間歇性和連續性兩種,,主要代表為抓斗式挖泥船和絞吸式挖泥船。抓斗式挖泥船在疏浚過程時存在啟停對船體和抓斗強度都有很高的要求,同時因為間歇性工作,工作效率相比絞吸式較低;絞吸式挖泥船則可以在鉸刀頭的攪動下利用絞吸泵將泥水混合物源源不斷的抽吸到疏浚船艙內,此外鉸刀頭的攪動能夠將沉積于海底的營養物質重新漂浮便于魚類養分的吸取。但是絞吸式挖泥船的工作效率主要取決于絞吸泵的工作效率和性能。

對絞吸泵的研究都是從清水泵的研究基礎上慢慢地開展起來的,很多的設計還是基于清水泵設計的基礎之上,更有甚者,當過流物質的顆粒很小、濃度很低時,則是直接采用清水泵進行輸送,從短期經濟上考慮該方式節約成本,但是從長遠考慮因為效率問題及磨損原因等,這種方式有缺陷,將影響絞吸泵的效率和壽命。

國內外學者對絞吸泵也進行了許多研究,崔寶玲等[1-3]先后針對分流葉片、開式、閉式葉輪從壓力場、速度場、脈動、揚程、回流以及效率等問題上進行了研究和分析,得出分流葉片以及閉式葉輪在效率和揚程上能夠有一定的提高。GRAPSAS和ANAGNOSTOPOULOS等[4-5]對葉輪葉片進行葉片數量、長度、進出口角等參數進行合理的優化后,發現在保證效率和性能的前提下,泵的流量變化范圍相比以前有所增加,同時泵的整體性能也有了一定的提高。

筆者基于渣漿泵的設計方法以及絞吸泵在工作中遇到的沉降問題進行分析研究,采用流體仿真軟件Fluent對自主設計的絞吸泵進行不同流量下的流場分析,以研究其內部流場的變化及工作性能的好壞,旨在為絞吸泵后續的設計制造提供一定的參考依據。

1 建模及網格劃分

1.1 模型的建立

黃萬里[6]對河道水文、泥沙顆粒等多方面進行了研究,在其研究的河道泥沙顆粒的分布中可以清楚的看到河床上從顆粒直徑為0.01 mm的細泥到6～20 mm的礫石再到20 mm以上的鵝卵石的分布情況,如圖1。通過對在東南亞淺海作業的工程船調研發現:在實際的疏浚過程中輸送的最大固體顆粒直徑基本為礫石的顆粒大小15 mm,而河床上還包括了其他類型的泥沙,且直徑小于15mm。根據工況將設計流量Q= 8 000m3/h,揚程H=70m,轉速為350 r/min的大型絞吸泵。為了后續分析的簡化,在泵的設計過程中,將輸送的固體顆粒直徑平均為10mm,顆粒濃度設為30%。因為輸送物質有別于清水,所以在設計時基于何希杰的渣漿泵設計理論及設計[7]公式,對絞吸泵的葉輪部分進行了設計和建模,通過計算公式計算得出在固體顆粒濃度為30%時,葉輪直徑為2 000mm,葉片出口寬度為200 mm,泵的比轉速為78屬于低比轉速范圍[8]。研究發現在低比轉速泵的葉片形式主要還是采用非扭曲葉片,同時為了能夠較好地解決低比轉速泵效率低、易過載等問題普遍采用復合葉片設計[9],而從制造方面進行考慮:相比扭曲葉片,非扭曲葉片更加便于制造,所以在設計的時候采用bezier曲線對泵的葉片線形進行了設計。設計的葉輪和蝸殼結構如圖2所示,在實際仿真的對象則是液體在流道中流動時的體積,所以實際仿真時的三維模型如圖3所示。

圖1 泥沙顆粒大小分布情況Fig.1 Distribution ofsediment particle size

圖2 泵的三維建模Fig.2 3-Dmodel of pump

圖3 流道的三維模型Fig.3 3-Dmodelof the flow channel

1.2 模型的網格劃分

在通過軟件完成模型的建模之后,需要對流道的三維模型進行一個合理的網格劃分,對于絞吸泵,其葉片結構相對于其它機械結構更加復雜,而蝸殼處的流道因為隔舌以及流道的形狀是沿著阿基米德螺旋線逐漸變大,使得在劃分網格時難度增加,同時網格出來的效果也不一定能夠達到預期的效果,所以在網格劃分的時候通過Gambit軟件采用了具有強大自適應的混合網格,即在網格類型包括了四面體和六面體兩種類型。并且對某些部位的網格進行了加密,最終的網格劃分如圖4所示。

圖4 流道網格劃分圖Fig.4 Meshing

2 控制方程及邊界設置

在絞吸泵的工作過程中,其內部輸送物質的流動需要遵守三大定律:質量守恒定律、動量守恒定律以及能量守恒定律。此外本文是針對絞吸泵在湍流運動下的兩相流研究,所以其還需遵守組分守恒定律以及湍流輸送方程[10]。

2.1 流體流動控制方程

(1)流體質量守恒方程

絞吸泵內流體質量守恒方程為[10]:

式中,ρ為為流體顆粒密度;t為為時間;u、v、w為流體在x、y、z方向的速度。

(2)流體動量守恒方程

絞吸泵內流體動量守恒方程在x、y、z三個方向分別為[13]:

式中,p是流體微元體上的壓力:τxx、τxy和τxz是因分子粘性作用而產生的作用在微元體表面上的粘性應力的分量;、和是微元體上的體力,若體力只有重力,且Z軸豎直向上,則Fx=0、Fy=0和Fz=-ρg。

(3)流體湍流控制方程

固相湍流模型采用Hinze-Tchen顆粒湍流粘性系數模型,即代數Aρ模型,其渦粘性系數vs,用公式（3）表示[11]。

式中,τrs為顆粒動力響應時間;τT為連續相流體脈動特征時間。

絞吸泵內流動液體湍流控制方程為:

因為絞吸泵葉輪流道和壓水室的形狀是非直線的,所以流體在流動時的流線也是彎曲的,從而使得湍流特性變為各向異性,即湍動粘度μt也為各向異性,如果直接使用標準k-ε湍流模型計算,計算結果會產生一定的失真。因此液相湍流模型比較適合采用RNG（Re-normalization Group）k-ε湍流模型[12]。

RNG k-ε湍流模型的液相湍動能k方程[14]為:

式中,k為湍動能;ε為湍動耗散率;Gk是因為平均速度梯度導致的湍動能產生項[11]:

Gp是兩相流附加生成項[11]:

式中,ns為單位體積內固體顆粒的數量;ms為固體顆粒質量;

傳統上，開發智能系統的目標是追求一種理想的問題求解技術，這里的關鍵是我們需要解決的是什么樣的問題。神經網路是用結構的復雜性而不是規則的復雜性來克服其處理問題的復雜性。讓人工神經網絡這一工具變得前所未有地強大的，正是其網絡性而不是有關神經元的設想——因為神經元本身不管怎樣復雜仍然是一個經典的輸入輸出系統。盡管如此，還是應該牢記一點，那就是神經網絡主要是用來解決模式識別問題的。

ks為固相湍動能系數。

RNG k-ε湍流模型液相耗散率ε方程為[11]:

式中：αk=αε=1.39

2.2 邊界設置

仿真和實際存在著一定差距,需要對邊界條件盡可能貼近實際設計。針對本文設計的絞吸泵使用工況,輸送顆粒直徑為10mm左右的沙礫,濃度為30%,根據實際流體運動速度并沒有達到固相擠壓狀態,因此,在模型選擇時選用了非定常運動下的Euler標準湍流模型,因為該模型建立了n個動量方程和連續方程以求解各個相,同時它又根據不同相之間的相互作用關系建立了不同的耦合方式,提高了計算效率。在設置時將固體“擬流化”使得其能夠和水一樣自由流動,便于計算。

具體的邊界設置為:入口設置為velocity-inlet;出口設置為outflow;固體顆粒的體積分數為30%,固液兩相之間的曳力作用系數設置為gidaspow。

3 結果與分析

通過流體仿真軟件Fluent進行分析,將分析數據導入專業的后處理軟件Tecplot,進行后處理分析。在絞吸泵輸送過程中泵將產生動壓和靜壓,而對泵性能起主要作用的是靜壓的大小,所以在研究過程中主要對靜壓的分布進行討論。

通過在Z方向截取最大截面分析在不同流量下絞吸泵內部速度和壓力的分布,以確定絞吸泵的最佳工況點。從壓力分布圖可以比較清楚的看到隨著流量的加大,泵的壓力最小值從-6 000 Pa減小到-400 000 Pa,產生負壓的區域基本沒有變化,壓力大小都是從入口徑向向蝸殼逐步遞增。因為整個泵的設計工作點是在水下10m處,而4℃時水的飽和蒸氣壓為815.59 Pa。從分析的6個流量點來看,都不可避免的會產生水的空化現象,而空化現象不僅會對葉輪造成破壞,還將引起泵的振動等問題,降低泵的工作效率和使用壽命。從速度分析上看,整體上速度的分布從葉輪入口向出口逐漸增加,在失去了原動力后,在動能和勢能之間相互轉化流向出水口。由于隔舌和葉輪之間相對距離較小所以無論是液體還是固體顆粒在隔舌附近的速度明顯高于其他地方,但是從圖6和圖7中我們可以發現在1.4 Q下,隔舌附近的速度變化比其他流量點時小。但是因為其入口時的氣壓很低,而且泵入口的外界氣壓較高會加速泵的空化效果,對泵的效率和使用壽命有著較大的影響。而在0.8 Q時隔舌處的速度變化相對于額定流量要小,而且在輸送固體顆粒時該流量下可以不采用外部輔助設備將固體顆粒輸送出泵外,而且其入口的壓強差與外界較小,相對于1.4 Q空化程度會較小,能夠提高泵的使用壽命。同樣我們從1.2 Q的壓強和速度圖上也能夠觀察到這些,和0.8 Q的區別在于進出口的壓強。在完成分析之后對模型泵進行了實驗測試,在測試中發現隨著流量的逐漸增大,泵的葉片被破壞程度逐漸變小而后又慢慢變大,在0.8 Q～1.2 Q的范圍內被破壞程度相比其他流量點要小。結合仿真的流場分析和模型泵葉片被破壞程度可以得出在0.8 Q～1.2 Q流量區間泵的工作比較合理。

圖5 各流量點下的壓力分布圖Fig.5 Pressure distribution at various flow points

圖6 各流量點下水的速度分布圖Fig.6 Water velocity distribution at various flow points

圖7 各流量點下沙礫的速度分布圖Fig.7 Sand velocity distribution at various flow points

4 結論

采用Fluent軟件中的Euler兩相流湍流模型對水下工作的絞吸泵進行數值模擬分析,通過對在不同流量下的模型進行壓力流場和速度流場的分析并結合模型泵實驗發現:

(1)Fluent軟件能夠比較好的分析絞吸泵內部的流場運動情況,為大型泵的制造提供依據;

(2)固液兩相中的固體顆粒只有在葉片的工作表面具有較好的流動性;

(3)結合速度流場、壓力流場的分析和模型泵的實驗結果發現,自主設計的絞吸泵能良好運行的最佳流量區間為:0.8 Q～1.2 Q。

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Predict the Performance of Cutter Suction Pum p w ith Com p lex Im peller

HU Jun1，2，YANG Yun-qing1,ZHANG Yu-lian1，2
（1.School of Naval Architecture&Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan 316022; 2.Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province，Zhoushan 316022,China）

The fisheries aquaculture not only meets people＇s need for fish products to some extent，but slows down the recession of the fishery resources.As a result，the pond needs to be dredged term ly because of the deposition of soil and excrement.So a design about the cutter suction pump of the dredger was conducted in this paper to settle the problem.In order to have a good understanding of the designed pump＇s working performance，the standard turbulence model in Fluent was used to analyze the pump＇s three-dimensional unsteady flow numerically at different flow pointswith amixture of solid and liquid medium in the pump.The distribution changes of the pressure and velocity flow fields in the pump were also analyzed under the different quantity of flow.Through the simulation test of the pump model，the result showed that：the flow distribution in the pump at 0.8Q-1.2Q was better than other flow points，and the destruction of themodel at this range was less compared to other ranges.Thus the range of 0.8Q-1.2Q was reasonable for the cutter suction pump，and in this range the pump would have a better efficiency and service life.

cuter suction pump；computational fluid dynamics；numerical analysis；distribution of flow field；flow

TH311

A

1008-830X（2014）05-0467-06

2014-06-20

舟山市科技局海洋類重點資助項目(2012C22014)

胡俊(1993-),男,浙江東陽人,研究方向:流體機械.E-mail:470137029@.qq.com

張玉蓮(1964-),女,浙江浦江人,教授,研究方向:機械系統動力學、機械產品優化設計.E-mail:zyl-91@sina.com