基于雙向耦合的吸沙泵外殼與葉片摩損仿真分析

田俊良,鄭泉*,劉和明

(1.安徽農業大學 工學院，安徽 合肥 230036；2.明光留香泵業有限公司，安徽 明光 239400)

基于雙向耦合的吸沙泵外殼與葉片摩損仿真分析

田俊良1,鄭泉1*,劉和明2

(1.安徽農業大學 工學院，安徽 合肥 230036；2.明光留香泵業有限公司，安徽 明光 239400)

為研究吸沙泵磨損機理，建立吸沙泵的三維幾何模型和兩相流模型，通過仿真與試驗數據的對比驗證模型的準確性。分別采用單向和雙向流固耦合方法對建立的固液兩相流模型進行數值模擬，并對葉片及殼體相關區域的速度和壓力分布進行分析。結果表明：固相粒子普遍集中在泵體內緣，出口處固相分布多于進口處；與單向耦合相比，雙向耦合更符合實際情況；摩擦磨損主要集中于泵體內緣和葉片的工作面沿半徑方向外側；粒徑越大，固相分離現象越明顯，增加轉速使揚程降低，但是轉速過低會使效率急劇下降。

吸沙泵；多相流；雙向耦合；磨損

吸沙泵作為一種特殊用泵應用廣泛，但由于水、沙的磨損使其壽命縮短，因此有必要對復雜邊界條件下湍流結構的影響和高濃度固相粒子對摩擦磨損機理進行深入研究。目前國內外對泵的研究主要集中在水利特性、內部流場瞬態水力激振特性下的流固耦合以及動靜湍流場的非定常特性等方面，例如：文獻[1]采用發展的RN-S方程和液相/氣相界面跟蹤方法的單相空化模型數值求解技術，開展利用空化數對離心泵的水力性能影響特性的數值研究；文獻[2]基于代數滑移混合物模型(algebraic slip model,ASM)模型，對三維不可壓縮定常流動進行數值計算并采用凍結轉子法，確定最佳水力特性下轉子的轉動位置；文獻[3]分別考慮不耦合和耦合作用對泵流場內部工作情況的影響；文獻[4]研究旋流泵輸送固液兩相流特性，證明旋流泵內部兩相流動符合畸變速度原理；文獻[5-7]針對泵內部流場瞬態水力激振特性對軸流泵葉頂區空化流氣液混合區域密度變化、軸流泵的流量-揚程曲線、空化特性及其誘導非定常空化壓力脈動以及水泵液壓系統瞬態特性分別進行研究；文獻[8]針對兩相流下葉片磨損情況的復雜性，考慮不同固相體積分數以及相對運動速度，得出葉輪磨損情況；文獻[9-10]使用二維渦方法研究離心泵葉輪和導葉(離心泵的轉能裝置)內部的非定常壓力脈動。研究成果主要集中于水泵類產品，而對于吸沙泵這類特殊用泵以及其泵體內部和葉片摩擦磨損分析等方面尚未深入研究。

本文采用ANSYS和CFX對吸沙泵進行耦合分析，研究不同工況下的速度場分布和壓強變化，并根據葉輪旋轉域以及殼體域的綜合分析得出相應葉片和殼體受力情況，對可能出現的摩擦磨損以及葉片表面剝離情況做出預測，為葉片葉形優化和偏角優化提供參考[11-12]。

1 流固兩相流理論

本文模型采用水沙固液兩相流且將水看成不可壓縮流體、而沙子默認為擬流體[13]，假設沙子外形成球形，粒徑固定不變且不發生相變。在 Eulerian 坐標系下，采用混合代數滑移模型(mixture algebraic slip model,MASM)[14]，其中兩相連續方程為：

(1)

(2)

(3)

式中：ρm為混合密度；ρk為k相密度；Umj為混合相的混合平均速度;Xi(i=1,2,3)為歐拉坐標;αk為k相體積系數；Ukj為k相的平均速度。

兩相動量方程為：

(4)

式中：Umi為混合相整體對流運動速度；pm為混合相動壓；τmi、τTmi、τDmi分別為平均粘性應力、紊動應力和擴散應力;gi為附加質量力系數;Fki為k相所受的作用力。

相對速度方程為：

(5)

式中：Ucpi為相間的相對速度；mp為混合相質量。

2 吸沙泵模型與邊界條件

2.1幾何與網格模型

基于Catia軟件對吸沙泵進行實體建模，并將三維模型導入CFX軟件中建立流體模型[15-18]。吸沙泵的額定轉速為750 r/min、葉片數為4、進口直徑和出口直徑均為406 mm，揚程為14 m，流量為750 m3/h,配套電機功率為60 kW，設沙子密度為2 650 kg/m3，吸沙泵的模型如圖1a)所示，殼體域與旋轉域如圖1b)所示。基于ICEM軟件對流體域進行非結構網格劃分，外殼域選擇四面體網格，如圖2a)所示，旋轉區域采用了六面體網格劃分，如圖2b)所示，并在外殼域表層和細小尖角區域網格加密，共產生1 325 487個網格，對網格質量檢查，殼體域與旋轉域的綜合網格平均值為0.789，標準差為0.188，符合網格質量要求。

圖1 吸沙泵模型與內部流模型示意圖 圖2 流體域網格

2.2邊界條件與算法

圖3 試驗與模擬的揚程-流量關系對比

外殼壁面與葉輪壁面采用無滑移的邊界條件，采用速度入口和自由壓力出口；在壓力與速度耦合上，采用RNGk-ε湍流模型[19-21]進行求解；對流區域的空間離散采用一階迎風格式；為了簡化計算，認為所有固相顆粒均是相同固定直徑的球形顆粒物；各個控制方程方根RMS殘差格式的收斂依據是10-5。在數值模擬計算中，控制方程采用MSAM模型；計算采用Double精度，基礎時間步長設置為2×10-4s；在收斂比較困難的部分，適當減小時間步長，加快收斂。

2.3外工作特性

為了驗證上述模型以及邊界條件的設置準確性，以單相清水為介質，開展試驗測試，根據兩種耦合方式的數值模擬計算結果得出不同流量下揚程外特性曲線，并與試驗揚程曲線進行對比[19-21]，如圖3所示。由圖3可知：數值模擬計算揚程與試驗結果誤差較小，均不超過6%，因此模型是可信的。

3 吸沙泵仿真分析

3.1不同粒徑下速度場分布

在設計轉速下，當工作介質采用不同粒徑的沙子與水組成的固液兩相混合物時，泵腔內的速度矢量分布如圖4所示(圖中數字單位為m/s)。

圖4 不同粒徑沙相速度矢量圖

由圖4可知：無論是單向還是雙向耦合，不同粒徑沙相的運行軌跡及運動狀態基本相似，且具有幾乎相等的最大速度；泵體內輪緣處沙的速度比內部輪轂速度快，且在高速運轉產生的強離心力作用下，泵體內緣沙質速度流線隨粒徑增大而集中，且轉速偏高區域的面積逐漸增大，這表明在該區域固相顆粒粒徑越大對于泵體的磨損越嚴重。出口處壓力大，水沙混合物隨葉輪運行到出口處受壓形成漩渦；隨著粒徑增大，沖擊能力增強，漩渦現象反而明顯減弱。通過對不同耦合方式的結果對比分析可以看出，渦旋位置分布以及出口段速度分布規律基本相同。隨著粒徑增加，葉輪工作背面速度大于工作正面，部分沙速度流線從葉輪工作背面向葉輪工作正面遷移，與工作背面相比，固相顆粒對于工作面磨損幾率明顯增大。

由此得知：粒徑的改變對于單向耦合和雙向耦合作用的整體差異影響不大，但在出口、隔舌、高低速運轉區和泵體輪緣的速度變化比較明顯；且與單向耦合作用相比，雙向耦合作用流線更為紊亂，這是因為考慮了葉輪振動以及流體對葉輪的作用反饋。

圖5 設計流量下葉輪壓強分布

3.2不同轉速下壓強分析

通過對速度場分析可知，在離心段外圈貼合泵體內邊緣處速度比較大，則易存在較大的摩擦磨損；而葉片區域沙流速度變化不顯著。采用固相粒徑為0.01 mm沙子和水混合，在混合相中沙子的質量分數為60%，其壓強分布結果如圖5所示(單位為MPa)。由圖5可知：工作背面的壓強普遍小于工作正面；沿著工作正面壓強分布往外擴展，而在入口處附近葉片的工作背面，則出現了小范圍的相對負氣壓，因而此處極易發生氣蝕現象，附近葉輪固體壁面在局部溫度和局部壓強的反復作用下被剝蝕。

圖6 兩種耦合方式下0.01 mm粒徑壓強分布圖

對葉片工作正面輪緣附近選一點(即圖5中的A點)進行壓強分析，如圖6所示。由圖6可知：雙向耦合方式下某點壓強隨轉速增加而增加(轉速和流量在效率不變、粘度不大的情況下成正相關)，而單向耦合得到的該點壓強在各個轉速下均大于雙向耦合。隨轉速增大，揚程下降，而沙泵的效率先增大后減小，且壓強逐漸增大，使葉片沿半徑方向工作表面磨損加劇，因而實際工作時均是選擇合適的轉速，這樣既保證了合適的揚程，又可以使沙泵的磨損情況比較理想。而對于粒徑為0.1 mm和1 mm下該點的壓強分布，也滿足圖6的分布規律。

4 結論

1)離心作用使固相粒子普遍集中在泵體內緣，出口處固相分布多于進口處，出口易磨損；考慮雙向耦合的情形下，離心區域的流道分布更加紊亂，在出口、隔舌和離心區域產生的渦旋對于內部流道產生較大影響。

2)離心泵轉速的提高導致流量增加，對于隔舌的最大壓強持續增大，且隨粒徑的增加最大壓強有所波動，不利于改善隔舌磨損；葉片工作面固相分布多于工作背面，對于進口處附近的葉片極易產生氣蝕，長期會導致葉片剝離，且壓強逐漸增大使得葉片沿半徑方向工作表面磨損加劇。

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SimulationAnalysisofFrictionLossofPumpSuctionSandShellandBladeBasedonTwo-WayCoupling

TIANJunliang1,ZHENGQuan1*,LIUHeming2

(1.CollegeofTechnology,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036,China；2.MingguangLiuxiangPumpCo.,Ltd.,Mingguang239400,China)

In order to study the mechanism of the sand suction pump wear, the three-dimensional geometric model and two-phase flow model of the sand suction pump is established and the accuracy of the models through the comparison of simulation data and experimental data is verified. The unidirectional and bidirectional fluid-solid coupling methods are adopted respectively to make the numerical simulation of the established solid-liquid two-phase flow model, the velocity and pressure distribution of the relevant area of the blade and shell is analyzed. The results show as follows. The solid phase particles are generally focused on the inner edge of the pump body, more solid phase distribution at the exit than that at the inlet. Compared with the one-way coupling, the two-way coupling is more in line with the actual situation. The friction and wear are mainly concentrated on the inner edge of the pump body and the blade working face along the radius direction of the lateral. The bigger the particle is, the more obvious the solid phase separation phenomenon is. The rotating speed increase lowers the head, but the low speed drops sharply in efficiency.

sand suction pump; multiphase flow; two-way coupling; friction loss

TH117.1

：A

：1672-0032(2017)03-0088-06

(責任編輯：郎偉鋒)

2016-10-10

安徽省重點研究與開發計劃項目(1704a0902045)

田俊良(1989—)，男，合肥人，碩士研究生，主要研究方向為流體力學，E-mail:junliang106@163.com.

*通訊作者：鄭泉(1970—)，女，安徽蕪湖人，教授，碩士生導師，主要研究方向為機械設計，E-mail:wangww0618@163.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.03.014