低比轉速離心泵氣液兩相流動的可視化試驗及數值模擬

李重慶，邵春雷, 2

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低比轉速離心泵氣液兩相流動的可視化試驗及數值模擬

李重慶1，邵春雷1, 2

(1. 南京工業大學 機械與動力工程學院, 江蘇 南京，211816；2. 常州大學 機械工程學院 江蘇省綠色過程裝備重點實驗室, 江蘇 常州，213164)

低比轉速離心泵；氣液兩相流；流型；高速攝像機；氣泡直徑

離心泵廣泛應用于農田灌溉、石油化工、動力工業、城市給排水、采礦和船舶工業等領域[1?2]。在工程實踐中經常會出現泵輸送中含有氣液兩相混合物，泵在啟動過程中真空度不高或者正常運行情況下管道漏氣等情況，使泵內介質在較短的時間內由原來的單相流動轉變為復雜的氣液兩相流動，導致泵的性能下降，甚至產生斷流或發生更嚴重的事故[3]，因此，有必要對泵內氣液兩相流動進行研究。近年來，人們對離心泵內氣液兩相流動的規律進行了大量研究。在數值模擬方面，余志毅等[4]基于細泡狀流假設對混輸泵內氣液兩相流動進行了非定常流動模擬，分析了進口延伸段產生“不連續氣團運動”現象的原因，發現氣相漩渦是造成氣相積聚的主要因素之一。袁建平等[5]基于Eulerian-Eulerian非均相流模型對不同進口含氣率下離心泵內的定常與非定常流動進行了數值計算，通過分析葉輪內氣相分布情況和氣液兩相的速度場提出葉輪流道內漩渦的產生與氣相積聚有很大關系，而當進口含氣率不超過10%時，氣相體積分數對監測點處的壓力脈動的主頻影響不大。HAZRA等[6]采用雷諾時均方程和混合長度模型模擬連續相，用拉格朗日方法模擬分散相，對泵內的稀疏兩相流進行了研究。李昳 等[7]采用修正的控制方程對漩渦泵內氣液兩相流動進行了數值模擬，其研究結果表明進口含氣率越高，葉輪內靜壓下降程度越嚴重。李貴東等[8?9]采用Eulerian- Eulerian非均相流模型對離心泵內部氣液兩相流動進行了瞬態數值模擬，分析了不同進口氣相體積分數下葉輪流道內氣相分布規律，并研究了不同氣相體積分數下葉片載荷、葉輪徑向力、葉輪轉矩、監測點的氣相體積分數和壓力脈動情況。付強等[10]研究了核主泵葉片進口邊安放位置對泵內氣液兩相流動的影響，設計了3種進口邊安放方案，并分別進行了定常與非定常流動的數值模擬，通過對比模擬結果得到最佳的葉片進口邊安放方案，并發現隨著含氣率增加，試驗值與模擬值出現較大的偏差。CARIDAD等[11]基于離心泵葉輪內氣泡受力分析的數值模擬技術，對離心泵氣液兩相進行模擬，并與試驗結果作對比，得出了氣液兩相條件下泵的揚程損失、氣泡直徑與進口氣相體積分數之間的關系。朱榮生等[12]模擬了泵內氣液兩相的瞬態流場，研究了不同導葉出口邊安放位置對核主泵內部壓力脈動及含氣率脈動的影響，并得出最佳的導葉出口邊安放位置。在試驗研究方面，GRUSELLE 等[13]通過試驗對離心泵的不同設計模型進行了測試，試驗結果發展了離心泵的理論模型，為離心泵的設計提供了依據，并將結果推廣到輸送油氣混合介質。ZHANG等[14]使用高速攝像機拍攝了三級混輸泵內各級的流動情況，分析了氣泡和氣團在各級流道內的運動情況，并統計了不同轉速和進口氣相體積分數下氣泡直徑，得出了氣泡直徑隨轉速和進口氣相體積分數的變化規律。BARRIOS等[15]從理論和試驗兩方面對潛油電泵內的氣液兩相流進行了研究，分析了泵內流動狀態和空泡的行為，并對空泡直徑和內部流動進行了可視化測量。VERDE等[16]采用高速攝像機拍攝到了潛油電泵葉輪全流道及葉輪內局部區域的流型變化情況，分析了各個流型對泵性能的影響，同時采用當量直徑計算小進口含氣率下葉輪內的氣泡直徑，并繪制成直方圖觀察氣泡直徑隨進口含氣率的變化規律。袁壽其等[17]使用高速攝像機拍攝了離心泵進水管內氣泡的運動軌跡。TREVISAN等[18]在原型泵的基礎上研制出透明的模型泵，在不同的轉速下進行了兩相流試驗，揭示了黏度對兩相流流動形態和泵水力性能的影響。上述研究對本文的數值模擬和高速攝像試驗的開展均具有參考價值，但低比轉速離心泵內部氣液兩相流型及葉輪流道內氣泡直徑隨初始液相流量的變化關系有待進一步研究，泵外特性隨泵內流型的變化規律有待進一步揭示。本文作者采用高速攝像技術對葉輪流道內氣液兩相的流動進行可視化試驗研究，分析低比轉速離心泵葉輪流道內流型和氣泡直徑隨進口氣相體積分數0的變化規律以及流型對泵外特性的影響，同時對模型泵進行定常流動的數值模擬。研究結果可為針對不同流型的氣液兩相流模型的開發以及兩相流模擬時氣泡直徑的確定提供參考。

1 數值模擬方法和試驗方法

1.1 建模與網格劃分

圖1 模型泵

圖2 模型計算區域網格

1.2 數值計算方法

數值計算采用Eluerian-Eulerian非均相流模型；考慮相間的滑移速度和動量傳遞等，湍流模型選用RNG?兩方程模型；壓力速度耦合采用Phase Coupled SIMPLE算法；氣液兩相之間的曳力模型選用Gidaspow模型。在計算過程中進行如下假設：1) 泵內氣液兩相均為不可壓縮相，其中液相為連續相，氣相為離散相，各相物性為常數；2) 氣相為球形氣泡且分布均勻；3) 忽略兩相間的質量傳遞和熱量傳遞。

進口采用速度進口邊界條件且假設進口速度分布均勻，氣液兩相間速度相等，給定進口的湍流強度、水力直徑和氣相濃度；出口采用自由出流(outflow)邊界條件，壁面無滑移；近壁區域采用標準壁面函數。

1.3 試驗裝置與試驗方法

泵內氣液兩相流動的可視化試驗裝置如圖3所示。儲罐內的水經模型泵抽送后又回到儲罐內，氣體由儲罐頂部排出。氣泵提供的空氣與水在泵進口管前混合后進入模型泵內，氣體流量由氣體調節閥控制，由轉子流量計進行測量。泵進出口壓力由進出口測壓管上的壓力傳感器測得，泵的轉速通過變頻器進行調節。

1—儲罐；2—出口閥門；3—流量計；4—金屬軟管； 5—出口壓力；6—模型泵；7—電動機；8—進口閥門； 9—電控柜；10—高速攝像機；11—進口壓力計；12—氣泵；13—轉子流量計。

為了用高速攝像機拍攝泵內的流動情況，模型泵采用有機玻璃進行制造，結構參照IS80-50-250型低比轉速離心泵。受拍攝位置的限制，高速攝像機很難拍攝到泵全流道內的流動情況，故將泵流道分為4個區域進行拍攝。模型泵區域劃分如圖4所示。本文主要研究區域I內氣液兩相的流動情況。

高速攝像機的型號為i-SPEED 3，拍攝頻率設置為1 000 幀/s，曝光時間為0.1 ms，拍攝所得圖像的分辨率為1 280×1 024。在拍攝過程中，借助LED光源提供輔助光線。通過變頻器調節泵的轉速為600 r/min，通過出口閥門調節泵的流量分別為5，7，10，12和15 m3/h，氣體流量通過氣體調節閥從小到大依次調節，待運行穩定后采用高速攝像機拍攝泵內的流動情況。

圖4 模型泵4個區域

2 試驗結果分析

2.1 葉輪內流型隨進口氣相體積分數的變化規律

圖5 離心泵的壓差損失曲線

(a) 泡狀流(=0.4%)；(b) 聚合泡狀流(=1.2%)；(c) 氣團流(=2.0%)；(d) 分層流(=3.5%)

2.2 葉輪內部氣泡直徑隨進氣量的變化規律

圖7 采樣點的位置

當轉速為600 r/min、初始液相流量為15 m3/h時，葉輪內部氣泡直徑隨進氣量的變化見圖8。由圖8可知：當g=1 L/min時，所選的氣泡中氣泡直徑集中分布在0.58~0.75 mm，該直徑范圍內氣泡數占所選氣泡總數的76%；直徑在0.60~0.65 mm內的氣泡數量最多；氣泡平均直徑為0.61 mm。當g增大到2 L/min時，直方圖中氣泡直徑向大直徑方向偏移，此時，氣泡直徑集中分布區域偏移到0.55~0.80 mm，該直徑范圍內的氣泡數占氣泡總數的79%；氣泡平均直徑增大到0.64 mm。當g增大到3 L/min時，直方圖中的氣泡直徑明顯增大，氣泡直徑集中分布區域繼續向大直徑方向偏移，為0.75~0.95 mm，氣泡數占總數的82%；氣泡平均直徑增大到0.85 mm。由此可見：隨著g增大，葉輪流道內氣泡數量明顯增多，小氣泡聚合成大氣泡使得葉輪流道內氣泡直徑明顯增大。

(a) Ql=15 m3/h, Qg=1 L/min；(b) Ql=15 m3/h, Qg=2 L/min； (c) Ql=15 m3/h, Qg=3 L/min

2.3 葉輪內氣泡直徑隨初始液相流量的變化規律

試驗中，調節泵的轉速為600 r/min，進氣量固定為1 L/min，泵的液相流量l分別為5，7和10 m3/h。氣泡的選取仍按照極坐標定位置的方式選取，每個流量下選取140個氣泡得出氣泡直徑并繪制成直方圖，觀察氣泡直徑隨初始液相流量的變化規律。

(a) Ql=5 m3/h, Qg=1 L/min；(b) Ql=7 m3/h, Qg=1 L/min；(c) Ql=10 m3/h, Qg=1 L/min

葉輪內部氣泡直徑隨液相流量的變化見圖9。由圖9可知：當l=5 m3/h時，葉輪內部氣泡直徑集中分布區域為0.90~1.20 mm，數量占氣泡總數的88%，其中直徑為0.95~1.00 mm的氣泡數量最多；氣泡平均直徑為1.00 mm；當l=7 m3/h時，葉輪內部氣泡直徑集中分布區域向小直徑方向偏移，為0.80~1.10 mm，氣泡數占總數的89%，直徑為0.90~0.95 mm的氣泡數量最多；氣泡平均直徑減小到0.93 mm。當液相流量l增大到10 m3/h時，葉輪內部氣泡集中區域繼續向左偏移(小直徑方向)，為0.70~1.00 mm，氣泡數占總數的94%，直徑在0.80~0.85 mm內的氣泡數量最多；氣泡平均直徑進一步減小到0.82 mm。隨著液相流量增大，液相對氣相的沖刷作用使得葉輪流道內氣泡數量減少；同時，液相流量增大使得氣液兩相間的滑移速度增大，氣泡所受的曳力增大，在多種因素共同作用下，大氣泡轉變為小氣泡，氣泡直徑減小。

3 數值模擬結果分析

3.1 數值模擬結果試驗驗證

1—試驗結果；2—數值模擬結果。

3.2 葉輪流道內氣泡的運移規律

/%：(a) 0.6；(b) 1.2；(c) 2.3；(d) 2.9；(e) 3.5；(f) 4.0

圖12 單個氣泡的受力分析

3.3 不同進口氣相體積分數下葉片表面中間流線氣相體積分數的變化規律

(a) 壓力面；(b) 吸力面

4 結論

2) 當初始液相流量不變，進氣量由1 L/min增大到3 L/min時，葉輪內部氣泡數量增加，氣泡聚合成大氣泡，葉輪內氣泡平均直徑由0.61 mm增大到 0.85 mm；當保持進氣量不變，液相流量由5 m3/h增大到10 m3/h時，液相對氣相的沖刷作用使葉輪流道內氣相區域減小，氣泡的平均直徑由1.00 mm減小到0.82 mm。

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(編輯 伍錦花)

Visualization experiment and numerical simulation of gas-liquid two phase flow in a low specific speed centrifugal pump

LI Chongqing1, SHAO Chunlei1, 2

(1. School of Mechanical and Power Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Green Process Equipment, School of Mechanical Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China)

In order to study the change rule of gas-liquid two-phase flow patterns and bubble diameter in a low specific speed centrifugal pump, high-speed camera was used to perform the visualization experiment. Moreover, Eulerian-Eulerian inhomogeneous model and RNG?turbulence model were used to simulate the internal flow of the pump. The change rule of gas volume fractions on the midline of the blade surface with the relative position of midline at different inlet gas volume fractions was obtained. The results show that when the inlet gas volume fraction increases from 0.4% to 3.5%, four flow patterns including bubble flow, agglomerated bubble flow, gas pocket flow and segregated flow occur, and differential pressure loss of the pump gradually increases. When the inlet gas flow rate increases from 1 L/min to 3 L/min, bubble average diameter gradually increases from 0.61 mm to 0.85 mm. When the inlet liquid flow rate increases from 5 m3/h to 10 m3/h, bubble average diameter gradually decreases from 1.00 mm to 0.82 mm. Gas volume fraction on the midline of the pressure side and the suction side of the blade firstly increases and then gradually decreases from the inlet to outlet of the impeller. Due to gas vortex, the gas volume fraction slightly increases near the outlet of the impeller. Moreover, as the inlet gas volume fraction increases, the area of gas agglomerated region near the pressure side gradually increases.

low specific speed centrifugal pump; gas-liquid two-phase flow; flow pattern; high-speed camera; bubble diameter

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.11.030

TH311

A

1672?7207(2018)11?2877?09

2017?11?16；

2018?01?29

國家自然科學基金資助項目(51306087)；江蘇省“六大人才高峰”項目(GDZB-032)；江蘇省高等學校自然科學研究重大項目(17KJA480003)；江蘇省綠色過程裝備重點實驗室開放課題基金資助項目(GPE201704) (Project(51306087) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(GDZB-032) supported by the Six Talent Peaks Program in Jiangsu Province; Project(17KJA480003) supported by the Natural Science Foundation of Higher Education Institutions of Jiangsu Province; Project (GPE201704) supported by the Jiangsu Key Laboratory of Green Process Equipment)

邵春雷，博士，副教授，碩士生導師，從事流體測控技術和流體機械研究；E-mail: chunlei-shao@njtech.edu.cn