輸送變物性介質(zhì)的熔鹽泵性能仿真實驗

程文潔， 周勇軍， 侯 瓊

（南京工業(yè)大學機械與動力工程學院，南京211816）

0 引 言

離心泵作為工業(yè)領域的重要機械，結構可靠性、性能優(yōu)劣均對工業(yè)生產(chǎn)有重要影響。熔鹽泵是以高溫熔鹽為傳輸介質(zhì)的葉片泵［1］，通常情況下泵內(nèi)的輸送介質(zhì)為液態(tài)熔鹽，由于不同熔鹽的熔點溫度不同［2］，在一些低溫條件下，泵內(nèi)析出固體熔鹽顆粒，此時泵內(nèi)輸送介質(zhì)變?yōu)楣桃簝上嗔鳎?-5］。由于輸送介質(zhì)的物性變化對泵的性能有一定影響，因此有必要研究泵內(nèi)固體顆粒物理參數(shù)變化對泵內(nèi)流動及外特性的影響規(guī)律。

國內(nèi)外不少學者針對以固液兩相流為輸送介質(zhì)的泵性能展開了研究。廖嬌等［6］分析對比了相同泥沙顆粒體積分數(shù)和不同泥沙顆粒直徑條件下葉片表面顆粒的分布情況；廖利偉等［7］采用Eulerian-Lagrangian多相流模型分析了不同工況下固體顆粒的存在對泵磨損的情況；Tahsin等［8］研究了固體濃度、密度及直徑等對泵性能的影響，發(fā)現(xiàn)大尺寸顆粒的流動跟隨性較差，會引起更大的水力損失。Li等［9］使用k-ε湍流模型對離心泵內(nèi)固液兩相湍流進行了數(shù)值模擬。結果表明，隨著粒徑從0． 1 mm增加到1 mm，固體顆粒的聚集度提高。張玉良等［10-12］研究泵內(nèi)固液兩相流，發(fā)現(xiàn)固相介質(zhì)的濃度、粒徑和密度對泵的水力性能有很大影響，泵的揚程和效率都會隨著粒徑或濃度的增加而降低。Noon等［13］研究了固體顆粒的存在對泵內(nèi)磨損情況。Salim等［14］研究了泥漿泵內(nèi)固體顆粒物性對泵性能的影響。可見，固液兩相流的顆粒直徑、濃度等對泵性能有重要影響。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分

文中應用Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型對熔鹽泵中的固液兩相流場進行了模擬分析，并使用SIMPLE算法求解壓力速度耦合方程，以Gidaspow 模型作為固-液交換系數(shù)，以Syamlal-Obrien-Symmetric 作為固-固交換系數(shù)，粒子碰撞系數(shù)為0． 9。如圖1 所示，熔鹽泵的水體域由入口段、葉輪和蝸殼組成，具體幾何參數(shù)見表1。入口段由結構化的6 面體單元組成；葉輪和蝸殼由無結構的4 面體單元組成。經(jīng)過網(wǎng)格獨立性驗證，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為1 130 462。原型泵的標準流量（Qd）和轉速（nd）分別為50 m3／ h、80 m和2 900 r／ min。

圖1 流體域3D模型

1.2 控制方程

為了簡化數(shù)學模型和仿真，計算基于以下假設：泵中兩相流體為不可壓縮流體；忽略熔融鹽物理性質(zhì)的變化；忽略固液界面之間的傳熱；除水力損失外，忽略其他損失。

表1 熔鹽泵的主要幾何參數(shù)

式中：μ 為流動介質(zhì)的黏度，Pa·s；ρ 為密度，kg ／ m3；u為速度，m／ s；Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍動能，J；αk為k 方程的湍流Prandtl 數(shù)；αε為ε 方程的湍流Prandtl數(shù)；Sk、Sε為用戶定義的項。

1.3 邊界條件

如圖1 所示，泵入口設置為Velocity-inlet，出口設置為Outflow；假定泵的入口速度為均勻分布，且固體顆粒的初始速度與液體相同；設置泵入口的固體顆粒體積流量，在壁面（Wall）上施加No-slip 邊界條件；多重參照系（MRF）方法應用于耦合流量變量。

對數(shù)值模擬結果進行了?；桨笇嶒瀸Ρ龋炞C了模型的可行性［15］。

2 模擬結果分析

2.1 泵內(nèi)壓力云圖對比

圖2 為不同固相體積分數(shù)（the particle volume fraction at pump intel，IPVF）工況下泵內(nèi)輸送不同尺寸的固體顆粒時壓力云圖分布情況。由圖2（a）～（d）可見，當IPVF ＝5%時，隨著泵內(nèi)固體顆粒直徑由0．05mm增大至1． 5 mm，葉輪內(nèi)壓力大小及分布變化不大，蝸殼出口壓力略有降低；當IPVF ＝30%時，隨著泵內(nèi)固體顆粒直徑由0． 05 mm 增大至1． 5 mm，葉輪內(nèi)壓力有所降低，蝸殼內(nèi)壓力明顯減小，出口壓力由1． 8 MPa減小至1． 3 MPa，減小了27． 8%。

圖2 泵內(nèi)壓力分布云圖對比（MPa）

2.2 泵內(nèi)速度矢量圖對比

圖3 為不同固相體積分數(shù)（IPVF）工況下泵內(nèi)輸送不同尺寸的固體顆粒時速度矢量分布情況。由圖3（a）～（d）可見，葉輪內(nèi)的速度分布隨IPVF及ds變化很小，蝸殼內(nèi)的速度分布隨固體顆粒直徑的變化較明顯。當IPVF ＝5%時，隨著固體顆粒由0． 05 mm 增加至1． 5 mm，靠近蝸殼壁面的速度有所降低，大顆粒在蝸殼內(nèi)更傾向于向壁面流動；當IPVF ＝30%時，顆粒進入蝸殼后，速度降低更加迅速，且壁面附近的低速區(qū)域明顯增大。

2.3 外特性對比

2.3.1 揚程

圖4 為不同IPVF工況下泵的揚程隨泵內(nèi)固體顆粒直徑的變化情況。揚程隨ds的增大不斷減小，且IPVF越大趨勢越明顯。圖4 顯示，當ds＝1． 5 mm時，不同固相體積分數(shù)對應的揚程曲線相交于同一點，表明當泵內(nèi)輸送兩相流介質(zhì)的固體顆粒直徑為1． 5 mm時，泵揚程幾乎不隨入口固相體積分數(shù)的變化而改變。當ds＜1． 5 mm，揚程隨IPVF 的增大而升高；當ds＞1． 5 mm時，揚程隨IPVF的增大而降低，且固體顆粒直徑越大，揚程下降越明顯。

2.3.2 水力效率

圖5 為不同尺寸固體顆粒工況下泵的水力效率隨IPVF的變化情況。由圖5 可見，在泵內(nèi)輸送的固體顆粒直徑不同的情況下，泵效率隨著IPVF 的增大有不同變化趨勢。ds＜1． 5 mm 時，效率隨IPVF 的增大逐漸升高；ds＝1． 5 mm 時，效率不隨IPVF 的變化而改變；ds＞1． 5 mm 時，效率隨IPVF 的增大而不斷降低。表明泵內(nèi)輸送含微小顆粒（ds＜1． 5 mm）的固液兩相流時，固體濃度的增加有助于提高泵效率；而泵內(nèi)固體顆粒較大時，固體濃度的增加不利于泵的高效運行。

圖6 為不同IPVF工況下泵的軸功率隨IPVF的變化情況。由圖6 可見，無論IPVF 如何變化，泵的軸功率都隨著ds的增大而不斷增大。表明泵內(nèi)輸送的固液兩相流含固體顆粒尺寸越大，泵消耗的軸功率也越大。

圖3 泵內(nèi)速度分布矢量圖（m／ s）

圖4 揚程隨輸送固體顆粒直徑的變化

圖5 水力效率隨輸送固體顆粒直徑的變化

3 結 語

文中研究了泵內(nèi)固體顆粒物性變化對泵內(nèi)流場分布及外特性的影響：

圖6 軸功率隨輸送固體顆粒直徑的變化

（1）當入口固相體積分數(shù)（IPVF）較低時，隨著固體顆粒直徑（ds）的增大，葉輪內(nèi)壓力大小及分布幾乎不受影響，蝸殼出口壓力略有降低；當IPVF 較高時，隨著泵內(nèi)固體顆粒直徑的增大，葉輪內(nèi)壓力有所降低，蝸殼內(nèi)壓力明顯降低。

（2）葉輪內(nèi)的速度分布隨IPVF 及ds變化很小，蝸殼內(nèi)的速度分布隨固體顆粒直徑的變化較明顯；大尺寸固體顆粒在蝸殼內(nèi)更傾向于沿壁面流動，且IPVF越高，壁面附近的低速區(qū)域越大。

（3）泵內(nèi)輸送兩相流介質(zhì)的ds＝1． 5 mm時，泵揚程幾乎不隨入口固相體積分數(shù)的變化而改變；泵內(nèi)輸送含微小顆粒（ds＜1． 5 mm）的固液兩相流時，固體濃度的增加有助于提高泵效率，大尺寸顆粒濃度的增加不利于泵的高效運行；固體顆粒尺寸越大，泵消耗的軸功率也越大。