低颗粒浓度下离心泵流动特性分析 (1).pdf

第 60 卷第 4 期2023 年 8 月化工设备与管道PROCESS EQUIPMENT&PIPINGVol.60No.4Aug.2023翟璐璐，等低颗粒浓度下离心泵流动特性分析翟璐璐1，吕蔡瑜1，陈旭来2，俞迪2，郭嘉3（1.浙江省流体传输技术研究重点实验室，浙江理工大学，浙江 杭州 310018；2.浙江省机电产品质量检测所有限公司，浙江 杭州 310051；3.浙江省机电设计研究院有限公司，浙江 杭州 310051）摘 要：离心泵在石油化工、煤化工等工业领域的水力输送过程中，往往伴随着固体颗粒的存在，运行时固体颗粒会影响离心泵的水力性能，因此对输送含颗粒介质下的离心泵性能研究就显得尤为重要。文中通过实验与数值模拟研究颗粒不同体积分数对离心泵性能、内部流动以及振动特性的影响。结果表明颗粒体积分数的增加会增大叶轮前后腔的压力梯度，降低叶轮的出口速度，增大湍动能，使轴向、径向激振力均值及幅度增大。关键词：固液两相流；闭式离心泵；数值模拟：流体激振力中图分类号：TH 311 文献标志码：A 文章编号：1009-3281（2023）04-0064-007收稿日期：2023-04-10基金项目：该 项 目 受 到 浙 江 省 自 然 科 学 基 金 面 上 项 目（LY23E060007）的资助。作者简介：翟璐璐（1989），女，博士，副教授。从事流体机械流激振动研究。离心泵作为流体输送系统中的关键部件，被广泛应用于石油化工、煤化工等领域，其中，水力除焦、烟气脱硫等核心工艺中应用的高压切焦水泵、脱硫泵在实际的运行中，输送含有焦粉颗粒的切焦水、酸碱类清液料浆等介质，固体颗粒的存在会影响离心泵内部流动情况，并进一步影响泵的整体水力性能、压力脉动特性与流体激振力特性。国内外学者对离心泵两相流模型以及固液两相离心泵内部不稳定流动进行了大量研究，对固体颗粒的处理可分为连续相模型和离散相模型 1，连续相模型由于其可获取流场的流动特性而被广泛应用，马旭航 2对离心泵内两相流动进行三维数值模拟研究发现固体颗粒直径与体积浓度相较于颗粒密度对离心泵扬程及磨损的影响更为严重。刘建瑞等 3基于Mixture模型，发现颗粒直径、密度会较大程度地影响颗粒的分布以及密度、粒径、浓度的增大会引起扬程的下降。Wang 等 4应用连续相中的 Mixture 模型分析了固体颗粒直径与体积浓度对离心泵流场内部的影响。赵斌娟等 5对双流道离心泵展开数值模拟计算分析得知离心泵扬程随颗粒浓度和粒径的增加而减小。万佳丽等 6对离心泵在不同颗粒浓度时的湍动能、压力脉动及径向力进行了数值模拟计算后发现，叶轮流道内及隔舌处的湍动能、脉动幅值、叶轮受到的径向力与颗粒浓度成正相关关系。陈佩贤等 7分析颗粒直径与浓度对离心式污水泵的影响规律发现，颗粒浓度较颗粒直径对离心泵叶轮进口处的影响更复杂。季燕羽 8对球形颗粒进行可视化试验分析了球形颗粒等试验，并使用 Fluent DPM 模型计算分析了对离心泵内流场、径向力、轴向力等影响。本文采用连续相模型中的 Mixture 模型进行数值计算，对不同颗粒体积分数下的固液两相离心泵进行研究，分析颗粒体积分数对离心泵外特性、内部流场以及流体激振力的影响。1 离心泵结构本文选取 NISO-80-50-200 型闭式离心泵作为计算和实验模型，该泵的设计流量 Q=50 m3/h，设计扬程 H=64 m，设计转速 n=2 950 r/min，叶轮叶片数Z=6以及比转速ns=56。表1为离心泵其他主要参数，图 1 为离心泵模型图。本文采用 ICEM 对不同的计算域进行混合网格划分，对于带有平衡孔的叶轮、蜗壳采用非结构化网格划分，并对叶轮平衡孔处进行局部加密，其余部分采用结构划分。结果如图 2 所示。2023 年 8 月 65 翟璐璐，等.低颗粒浓度下离心泵流动特性分析为验证网格无关性，本文对能代表离心泵运行性能的扬程系数进行分析，结果如图 3 所示。从验证结果来看，随着网格数量的增加，扬程系数不断增大，当网格数超过 415 万时，流量系数的模拟结果已经趋于稳定，因此选用 415 万网格数进行离心泵数值计算。表 1 离心泵主要参数Table 1 Main parameters of centrifugal pump 单位：mm参数数值进口直径 Din80出口直径 Dout50叶轮进口直径 D185叶轮轮毂直径 D397.2叶轮出口直径 D2213叶轮口环直径 D316叶轮前后口环间隙 Lg0.2图 1 离心泵模型图Fig.1 Model drawing of centrifugal pump图 2 离心泵计算域网格Fig.2 Computational domain grid of centrifugal pump出口段进口段前腔 叶轮 蜗壳后腔蜗壳叶轮蜗壳后盖转轴a.离心泵三维模型b.计算域结构图 3 网格无关性验证Fig.3 Grid independence verification网格数（106）扬程系数 1.781.761.741.721.701.681.661.642.53.54.53.04.05.05.52 湍流模型本文采用理论公式中含有低雷诺数流动粘性解析式 Standard k-湍流模型开展固液两相流程离心泵振动特性研究。其中，湍动能方程 k、能量耗散方程 和湍流黏度可分别表示为：湍动能方程 k：tkxkuxxkxuxuxuiiilktjtijijji22222222222222ttnvnntf+=+-chhjm;E （1）能量耗散方程 ：txuxxCkxuxuxuCk122iiiltjtijijji22222222222222tftfnvnfnftf+=+-fchhjm;E （2）湍流黏度：Ck2tnft=n （3）式中 l、t分子扩散率、湍流扩散率；k湍动能；湍流黏度；C湍流常数；C1、C2、k、经验常数。本文所使用固体颗粒粒径较小，与液相的跟随性较好，液体与固体颗粒均可当作连续相，通过求解混合相的动量、连续性方程模拟固液两相流。第 60 卷第 4 期 66 化工设备与管道连续性方程和动量方程分别为：tv022dtt+=h（4）tvvvpvvgFvv,Tkkdr kdr kkn122ddttnta tdddd+=+=chhhm6/（5）式中 混合粘性系数；dr,k漂移速度；F体积力；K相数目。3 试验方法研究3.1 试验装置为研究固体颗粒对离心泵的外特性、轴向激励力影响，本文设计了离心泵测试试验台，如图 4 所示。试验台主要包括驱动电机、离心泵、数字采集仪、进出口管道、进出口阀门、水箱、搅拌桨等，使用的电子元件主要由压力传感器、电涡流位移传感器、轴向力传感器、电磁流量计等。图 5 为不同流量工况及颗粒体积分数下离心泵数值模拟与试验扬程与效率对比结果，图中数值模拟结果与实验表现出相同的改变趋势，同一颗粒体积分数下，扬程随流量增大而减小，效率随之下降，且在额定工况下，模拟和实验扬程之间的误差不超过7.3%，模拟和实验效率之间的误差不超过 6.3%，两个误差均在可允许的范围内，说明本文数值模拟结论可靠。图 4 离心泵测试试验台Fig.4 Centrifugal pump test bench3.2 试验方法及外特性对比本文研究的闭式离心泵主要输送含有小直径的颗粒的污水，固体颗粒体积含量平均为 2%。本文研究不同颗粒体积浓度对泵性能参数的影响，选取粒径为 0.02 mm。体积分数的大小通过电子秤上称取的颗粒质量来改变，流量的大小通过调节控制柜上管道出口阀门的开度来改变，待每种工况下控制柜上流量显示趋于稳定后，对所需要的试验数据进行采集。试验方案如下表所示。表 2 试验方案Table 2 Test plan方案流量 Q/（m3 h-1）体积分数 Cv/%密度/（kg m-3）120099823011 01234021 03045041 06256061 094图 5 外特性模拟计算结果对比Fig.5 Comparison of simulation settlement results of external characteristicsa.模拟与试验扬程对比b.模拟与试验效率对比流量/（m3 h-1）扬程系数/m75706560552040305060流量/（m3 h-1）效率/%706050403020403050602023 年 8 月 67 翟璐璐，等.低颗粒浓度下离心泵流动特性分析4 离心泵内流特性本文使用 ANSYS 中的 FLUENT 18.0 软件，基于 Mixture 多相流模型对低比转速离心泵进行求解。本文在不同颗粒体积分数（0%、1%、2%、4%、6%）工况下，对离心泵进行了固液两相流的数值计算，观察颗粒的不同参数对于离心泵性能的影响。4.1 流场分析图 6 为不同颗粒体积分数离心泵径向中截面的静压云图，流体从离心泵入口流经叶轮流道至蜗壳流道内，沿着叶片方向，压力逐渐增大，且叶轮后腔压力整体高于前腔压力。随着颗粒体积分数增大，叶轮出口附近及蜗壳流道内（区域 1）的静压梯度更加显著，后腔区域压力（区域 2）明显增大。了更多大小不一的漩涡团。图 8 为额定工况下同颗粒体积分数的离心泵叶轮轴向中截面的静压分布，叶轮流道区域清水及两相工况的压力分布规律相似，蜗壳流道内压力随颗粒体积分数的增大而增加，但出口区域压力随之减小，甚至出现了区域 1 附近的相对“低压区”，原因主要是颗粒数量的增加导致液相的跟随性减弱，使得流体积聚在蜗壳流道内从而受到冲击，同时固体颗粒无法传递压力且对区域 1 附近壁面造成磨损，使得出口压力减小。离心泵运行时，叶轮旋转做功流体速度沿着叶轮流道逐渐增大，叶轮出口处的相对速度最大，速度分布情况如图 9 所示，相同半径下叶片压力面速度高于吸力面速度。清水工况在叶轮出口压力面的位置（区域 1）出现了明显的“高速区”且颗粒分数体积越大，“高速区”范围越小直至消失。图 10 为不同颗粒体积分数下离心泵叶轮轴向中截面的湍动能分布，清水工况下离心泵内流体流动较为稳定，仅在叶轮出口及隔舌位置出现小面积湍流区且强度较低。颗粒体积分数越大，叶轮压力面以及出口区域出现的湍动能区域面积越大，强度越高，当体积分数为 6%时，叶轮流道及泵腔内均出现了湍动能图 6 离心泵径向中截面的静压比较图Fig.6 Static pressure comparison diagram of radial middle section of centrifugal pump图 7 离心泵径向中截面的速度流线比较图Fig.7 Comparison diagram of velocity streamline of radial middle section of centrifugal pumpa.0%b.1%d.4%c.2%e.6%a.0%b.1%d.4%c.2%e.6%图 7 中 a e 为不同颗粒体积分数下径向中截面的速度流线图，颗粒体积分数较小时，泵内速度变化与清水工况相似，但颗粒的存在影响泵后腔（区域 2）流体流动，回流增多。随着颗粒体积分数的增大，两相流的黏度随之变大，叶轮做功能力下降，更易受到动静干涉的影响，导致叶轮出口附近（区域 1）的高速区面积明显减小，同时离心泵后腔（区域 2）出现第 60 卷第 4 期 68 化工设备与管道较高的区域，由图 6e 得知蜗壳流道内出现明显的分离漩涡，导致其区域出现了较大面积的高湍动能区。图 8 离心泵轴向中截面的静压比较图Fig.8 Static pressure comparison diagram of axial middle section of centrifugal pump图 10 离心泵轴向中截面的湍动能分布Fig.10 Distribution of turbulent kinetic energy in the axial middle section of centrifugal pump图 9 离心泵轴向中截面的速度比较图Fig.9 Speed comparison diagram of axial middle section of centrifugal pumpa.0%b.1%d.4%c.2%e.6%a.0%b.1%d.4%c.2%e.6%a.0%b.1%d.4%c.2%e.6%4.2 激振力分析本文所研究的闭式离心泵受到的轴向激振力 9主要由前后盖板形状不对称引起的盖板力 F1、吸力面与压力面之间的压力差引起的叶片力 F2以及混合流体在叶轮中方向改变引起的动反力 F3组成。图 11 为一周期内不同颗粒体积分数离心泵轴向力时域图，其分布具有明显的周期性，各颗粒体积分数下轴向力均值分别为：1 048 N、1 140 N、1 215 N、1 319 N 及 1 452 N，6%颗粒体积分数的轴向力波动幅度约为清水工况的 1.39 倍。图 11 离心泵轴向力时域图Fig.11 Time domain diagram of axial force of centrifugal pump时间/s轴向力/N1 6001 5001 4001 3001 2001 1001 0000.0000.0100.0050.0150.0202023 年 8 月 69 翟璐璐，等.低颗粒浓度下离心泵流动特性分析图 12 为不同轴向力分力大小分布图，以指向离心泵进口的方向为正，背离进口的方向为负，三个分力中盖板力 F1占比最大，处于主导地位，其次为动反力 F3，叶片力 F2占比最小，仅有动反力 F3方向背离进口。各分力大小均随颗粒体积分数的增大而增大，其中盖板力 F1的变化最为显著。图 12 不同颗粒体积分数下轴向分力分布Fig.12 Axial force distribution under different particle volume fractions体积分数/%轴向力/N2 0001 5001 0005000-500径向力/N旋转角度/（）2402001601208040040801201602002400%1%2%4%6%径向力/N旋转角度/（）2802402001601208040040801201602002402800%1%2%4%6%幅值/（N2 Hz-1）体积分数/%频率/Hz252015105064 8002 4003 6001 20004210幅值/（N2 Hz-1）体积分数/%频率/Hz352821147064 8002 4003 6001 2000421002146离心泵在输送流体过程中不仅会受到轴向激振力，还受到流体作用于叶轮出口圆周面上的压力不均以及泵轴旋转偏心而引起的径向激振力，径向激振力的具体表达式为：,cosFVVdAV VdAtdQVt p rdArArAyAyV21221222tttii=-+cmhh#（6）,cosFVVdAVVdAtdQVt p rdArArAzAzV22221222tttii=-+cmhh#（7）式中 A1、A2进、出口的过流面积；Vr叶轮出口处径向速度。图 13 为叶轮在 y、z 方向上受到的径向激振力的雷达图与频域图，a、c 图表示在同一旋转周期内，作用在叶轮上的径向激振力 Fy、Fz 均呈现出花瓣状，花瓣数与叶轮叶片数相同。两方向径向激振力均随着颗粒体积分数的增大而增大。Fz 的均值大小整体大于 Fy 均值，其中 1%、2%、4%、6%颗粒体积分数的 Fz 均值大小分别为清水的 1.55 倍、1.83 倍、2.27倍以及 2.83 倍。在频域图 b、d 中，径向激振力 Fy、Fz 的叶频为295.02 Hz，轴频为 49.17 Hz，径向激振力 Fy、Fz 的图 13 不同颗粒体积分数下轴向分力Fig.13 Axial component force under different particle volume fractiona.径向激振力 Fy 雷达图 b.径向激振力 Fy 频域图c.径向力 Fz 雷达图 d.径向力 Fz 频域图第 60 卷第 4 期 70 化工设备与管道幅值随颗粒体积分数的增大而增大，且 Fz幅值均大于 Fy幅值，说明颗粒的存在会影响叶轮径向激振力的大小，尤其是 z 方向更为显著。5 结论 基于实验与 CFD 数值模拟，本文分析了 0%、1%、2%、4%、6%颗粒体积分数的两相流动对离心泵流动特性的影响，得到如下结论：（1）颗粒体积分数会影响离心泵扬程及效率，相同流量时，扬程和效率均随着颗粒体积分数或颗粒直径的增大而减小，额定工况下体积分数为 1%、2%、4%、6%的工况扬程较清水工况下降 0.64%、1.44%、2.82%、3.75%，效率下降 0.75%、1.28%、2.59%、3.38%。（2）颗粒体积分数影响离心泵内部流场，颗粒的存在使得混合流体黏度增大从而影响叶轮内部流道以及蜗壳流道区域流体流动，降低叶轮出口速度，磨损离心泵出口管道，影响离心稳定性，导致离心泵水力性能下降。（3）激振力受颗粒体积分数的影响，颗粒体积分数越大，轴向及径向激振力也就越大，6%体积分数的轴向力为清水工况的 1.39 倍。参考文献GU D，CHENG C，LIU Z，et al.Numerical simulation of 1 solid-liquid mixing characteristics in a stirred tank with fractal impellersJ.Advanced Powder Technology，2019，30（10）：2126-2138.马旭航.偏置短叶片离心泵内固液两相流动三维数值模拟研2 究 D.葫芦岛：辽宁工程技术大学，2022.刘建瑞，徐永刚，王董梅，等.离心泵叶轮固液两相流动及3 泵外特性数值分析 J.农业机械学报，2010，41（3）：86-90.WANG Y，CHEN B，ZHOU Y，et al.Numerical Simulation 4 of Fine Particle Solid-Liquid Two-Phase Flow in a Centrifugal PumpJ.Shock and Vibration，2021.赵斌娟，袁寿其，刘厚林，等.基于 Mixture 多相流模型计算5 双流道泵全流道内固液两相湍流 J.农业工程学报，2008，24（1）：7-12.万丽佳，宋文武，常方圆，等.颗粒浓度对高比转速离心泵6 非定常特性的影响 J.热能动力工程，2019，34（8）：50-56.陈佩贤，田政锋，张海涛.离心式污水泵内固液两相流动特7 性数值研究 J.南方农机，2023，54（6）：16-19.季燕羽.离心泵内粗颗粒固液两相流试验测试和数值模拟8 D.镇江：江苏大学，2018.姚永灵，卢修连，卢承斌，等.非稳态流体激励下离心泵转9 子振动特性研究 J.流体机械，2018，46（4）：46-51.Analysis of Flow Characteristics of Centrifugal Pump under Low Particle ConcentrationZhai Lulu1,Lyu Caiyu1,Chen Xulai2,Yu Di2,Guo Jia3（1.Zhejiang Key Laboratory of Fluid Transport Technology Research,Zhejiang sci-tech university,Hangzhou,Zhejiang 310018,China;2.Zhejiang Mechanical and Electrical Product Quality Testing Institute Co.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang 310051,China;3.Zhejiang Institute Mechanical&Electrical Engineering Co.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang 310051,China）Abstract:Centrifugal pump is often accompanied by the existence of solid particles in the hydraulic transportation process of petrochemical,coal chemical and other industrial fields,and the solid particles will affect the hydraulic performance of the centrifugal pump during operation,so it is particularly important to study the performance of the centrifugal pump under the conveying medium containing particles.The effects of different particle volume fractions on the performance,internal flow and vibration characteristics of the centrifugal pump were studied by experiments and numerical simulations.The results show that with the increase of particle volume fraction,the pressure gradient of the front and rear cavities of the impeller is increased,the outlet velocity of the impeller is decreased,the turbulent kinetic energy is increased,and the mean value and amplitude of axial and radial exciting forces are increased.Keywords:solid-liquid two-phase flow;closed type centrifugal pump;numerical simulation:fluid excitation forces