多级冲压泵固液两相流冲蚀特性_郑水华.pdf

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②来流中的固相颗粒 均匀分布在液相水中， 来流介质的密度均匀。 采用能够计算和追踪每个颗粒轨迹的离散相 Discrete Phase 模型， 该模型通过求解任意颗粒的实 时位置和状态以计算流场中流体的流动状态和各过流 部件的冲蚀特征， 可以充分模拟和计算流场中固相颗 粒运动的随机性， 可以在计算不同固相颗粒浓度、 以及 首级和次级的固液两相流特性时得到更准确的结果。 在疏浚、 排污、 排涝、 化工等领域， 往往输送低浓度固体 颗粒介质， 且在颗粒浓度较低工况下更适宜研究颗粒 在两相流泵中的运动规律［16 ］， 而计算过程中流场中颗 粒的体积分数最高为 3． 396， 满足该模型所要求的固 相颗粒的体积分数不超过 10 ～ 12， 可以实现更高 的准确性 ［17 ］。采用广泛应用在弯管冲蚀计算和分析的 弯管冲蚀公式 ［18 ］， 计算公式如下 WR 2． 17 10 －7 Fpv2． 41 p F θ 1 ER ∑ mpWR tAcell 2 512第 9 期郑水华等多级冲压泵固液两相流冲蚀特性 ChaoXing 式中 WR 为冲蚀失重率; Fp为颗粒形状系数， 假设研 究的对象为球型颗粒， 取 Fp1; vp为固相颗粒的速度， m/s; θ 为颗粒入射角度， deg; ER 为冲蚀率， kg/s2/m; mp 为单一固相颗粒的质量， kg; t 为总碰撞时间， s; Acell为 计算单元壁面网格面积。F θ 为冲击角函数， 依照表 2 的参数逐段线性分布。上述公式表明， 壁面冲蚀特性 与颗粒的入射速度、 角度， 以及颗粒冲击次数等三个参 数密切相关。但事实上， Meng 等 ［19 ］在总结了大量冲蚀 模型后， 发现影响壁面冲蚀特性的变量超过 100 个， 所 以任何单一模型均难以全面的描述和表达冲蚀特性。 而离散相模型在计算过流部件的冲蚀特性时取得了极 为准确的结果， 故运用该模型计算冲压泵的冲蚀特性。 表 2冲击角函数 Tab． 2Impact angle function Pointθ/ degValue 100 2200． 8 3301 4450． 5 5900． 4 设定离散相反射系数， 其中法向多项式表达函数 为式 3 ， 切向的函数表达式为式 4 。 yn 0． 993 － 0． 030 7θ 4． 75 10 －4θ2 － 2． 61 10 －6θ3 3 yt 0． 988 － 0． 029θ 6． 43 10 －4θ2 － 3． 56 10 －6θ3 4 式中， yn， yt分别为法向和切向的离散相反射系数。 采用标准 k- ε 湍流模型和 SIMPLEC 压力速度耦合 算法; 进口边界取速度进口， 设定为标况时的来流初速 度， 出口条件为自由出流; 各壁面均为无滑移条件; 定 义大气压力为参考压力; 收敛精度为 10 －4。非定常数 值模拟步长设为 1． 724 10 －4 s， 即一个时间步长叶轮 转过 3， 每经过 120 个时间步长， 叶轮会旋转一周， 设 置总的时间步数为 1 200 步， 即叶轮旋转 10 周。 2颗粒浓度对外特性的影响 计算冲压泵输送固液两相流介质的外特性时， 考 虑到对颗粒做的功不能使扬程提升， 所以计算方法与 输送清水时不同， 需依据式 5 计算单级扬程， 单级效 率 ［20- 21 ］可以根据式 6 计算。 H 1 － φp Pout－ Pin ρmg 5 η ρmqvgHm 3 600 1 000N 6 式中 H 为输送固液两相流介质时泵的扬程， m; Pin， Pout 为泵进出口静压， Pa; ρm为两相流的密度， kg/m3; η 为 水力效率; qv为体积流量， m3/h; N 为轴功率， kW。 图 3 为不同固相颗粒质量浓度的扬程- 颗粒质量浓 度， 效率- 颗粒质量浓度曲线图。当 ρp 0 kg/m3， 即输 送的介质中不含固相颗粒时， 首级和次级的扬程值和 效率值均为最高值。其中首级的扬程 H120． 08 m， 效 率η182． 96; 次级的扬程 H2 20． 03 m， 效率 η2 82． 79， 与额定的单级扬程和效率值十分接近， 证明 数值模拟得到的结果具有较高的准确性。而通过图 4 中曲线可以发现， 冲压泵的单级扬程和效率随着固相 颗粒的质量浓度的增加线性递减， 且在 ρp 90 kg/m3 时达到最小值， 首级扬程仅为 18． 65 m， 下降幅度为 6． 89; 效率为77． 04， 下降幅度达到6． 95。同时， 固相颗粒浓度不同时， 次级的扬程和效率变化与首级 几乎相同， 这说明固液两相流对多级冲压泵各级的性 能的影响相同。固相颗粒的浓度对冲压泵运行时的性 能影响依然较为明显， 虽然单级扬程下降幅度较小， 但 考虑多级冲压泵各级扬程、 效率均有所降低， 所以当多 级冲压泵工作在严苛环境下时， 需对输送的两相流介 质进行一定的过滤和净化， 以保证冲压泵工作性能不 至于大幅下降。 图 3不同固相颗粒质量浓度的扬程- 颗粒质量浓度， 效率- 颗粒质量浓度曲线图 Fig． 3Head- particle mass concentration，efficiency- particle mass concentration curvesofdifferentsolidphaseparticle mass concentrations 3颗粒浓度对冲蚀特性的影响 图 4 为不同固相颗粒质量浓度首次级叶轮和导叶 壁面的平均冲蚀率曲线图。各监测壁面的冲蚀率与颗 粒质量浓度指数正相关， 当颗粒浓度进一步增大时， 过 流部件所受到的冲蚀损伤将会指数级增大， 冲压泵的 使用寿命将大幅下降， 失效率大幅上升。对比叶轮和 导叶的冲蚀率， 当颗粒质量浓度较低时， 叶轮壁面已经 呈现较高的冲蚀率， 而导叶壁面冲蚀率极低。但随着 颗粒质量浓度的升高， 导叶壁面冲蚀率迅速上升。所 以当运行工况中固相颗粒质量浓度较高时， 需要同时 注意叶轮和导叶的冲蚀。而首次级叶轮和导叶的冲蚀 率大小接近， 变化规律相同， 这也再度说明了多级冲压 612振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 泵各级受到固相颗粒的影响差别极小。 图 4不同固相颗粒质量浓度首次级叶轮和 导叶壁面的平均冲蚀率 Fig． 4Average erosion rate of first stage impeller and vane walls of different solid phase particle concentrations 由于首级和次级的冲蚀特性差别极小， 故分析首 级的冲蚀特性即可类推出其他级的冲蚀特性。首级的 叶轮和导叶冲蚀率云图， 如图 5 和图 6 所示 为便于观 察， 仅显式一片叶片 。图 5 为不同固相颗粒质量浓度 首级叶轮壁面冲蚀率分布云图。当颗粒质量浓度 ρp 10 kg/m3时， 叶轮的冲蚀率很小， 叶片和后盖板的绝大 部分几乎没有受到冲蚀， 仅在叶片与后盖板连接处出 现小幅度的冲蚀。当颗粒质量浓度逐渐增大时， 冲蚀 区域没有扩大， 依然仅为叶片与后盖板的连接区域， 但 该区域的冲蚀面积增大， 冲蚀率提高。当 ρp 90 kg/ m3时， 叶片与后盖板连接处的局部区域冲蚀率超过 2 10 －2 kg/s/m2， 而冲压泵的与其他铸造泵不同， 叶片 和后盖板采用焊接连接， 所以这样的冲蚀率对焊缝的 质量要求极高， 而对其他部分则冲蚀率很小。所以为 了保证冲压泵在输送固液两相流介质时保证寿命和可 靠性， 需要严格控制叶片与后盖板的焊缝质量， 并采取 一定的加强措施。 图 5不同固相颗粒质量浓度首级叶轮壁面冲蚀率分布云图 Fig． 5First stage impeller wall erosion rate distribution cloud map of different solid phase particle mass concentration 图 6 为不同固相颗粒质量浓度首级导叶壁面冲蚀 率分布云图。在颗粒质量浓度 ρp 10 kg/m3时， 导叶 几乎没有受到冲蚀， 这与图 4 中得到的导叶在低颗粒 质量浓度时冲蚀率极低的结论相吻合。当颗粒质量浓 度超过30 kg/m3时， 导叶转弯部分 如图6 中区域1 所 示 ， 出现轻微幅度的冲蚀。而随着固相颗粒质量浓度 的进一步提高， 该区域的冲蚀率迅速升高， 而其他区域 所受到的冲蚀极低。当 ρp 90 kg/m3时， 区域 1 的冲 蚀率已经接近叶轮叶片和后盖板连接处的冲蚀率。此 外， 当颗粒质量浓度分别为 70 kg/m3和 90 kg/m3时， 在区域 2 和区域 3 也出现了一定程度的冲蚀， 这是因 为通过离散相模型分析固液两相流流动时， 颗粒质量 浓度越高， 颗粒运动的随机性则越高， 会造成更多区域 的随机性冲蚀 ［22 ］。所以在冲压泵导叶的制备时， 需要 额外对区域 1 进行抗磨蚀强化， 而当工作状况固相浓 度较高时， 需要对导叶整体进行强化。 图 6不同固相颗粒质量浓度导叶壁面冲蚀率分布云图 Fig． 6Vane wall erosion rate distribution cloud map of different solid phase particle mass concentration 图 7 为 ρp90 kg/m3时首级和次级叶轮及导叶壁 面冲蚀率分布云图。从图 7 可知， 首级和次级的叶轮 和导叶具有相同的冲蚀率分布， 即叶轮叶片与后盖板 连接处、 导叶叶片中段。次级导叶外壁面没有出现首 级出现的冲蚀， 这也是随机性冲蚀的表现。在固液两 相流工况下， 首级和次级具有相同的冲蚀率特性和外 特性， 也就意味着无需针对不同的级进行不同的处理。 图 7ρp90 kg/m3时首级和次级叶轮及 导叶壁面冲蚀率分布云图 Fig． 7Cloud map of erosion rate of first and second impellers and vanes on ρp90 kg/m 3 4颗粒冲蚀机理分析 4． 1颗粒分布分析 依照假设， 来流中固相颗粒均匀分布在液相水中， 且密度均匀。然而固相颗粒本身具有初速度 与来流 速度方向和大小一致 ， 且两相流介质进入叶轮流道并 通过导叶进入下一级叶轮时， 固相颗粒与叶片相互作 用， 能量上升， 并且与叶轮后盖板、 导叶叶片以及导叶 壁面相互作用， 使得固相颗粒在介质中的分布发生变 化， 且具有了不同的速度， 这都会使得过流部件不同区 域的冲蚀率产生差别。为了分析固相颗粒的分布， 需 要引入欧拉模型， 并进行如下假设 ①固相颗粒与液相 水均看做流体， 空间各点都有这两种流体各自不同的 712第 9 期郑水华等多级冲压泵固液两相流冲蚀特性 ChaoXing 速度、 温度和密度; ②固相与液相有相互作用而固相颗 粒之间无相互作用。采用欧拉模型可以得到离散相模 型无法获取的颗粒体积分数分布。 图 8 为不同固相颗粒质量浓度下， 叶轮旋转的第 10 周期结束时冲压泵流道内固相颗粒分布云图。随着 两相流介质中的固相颗粒质量浓度的增加， 流场中的 固相颗粒体积分数也随之增加， 并且以来流中的固相 颗粒体积分数上下浮动。当固相颗粒质量浓度 ρp10 kg/m3时， 流场中的颗粒体积分数十分近似， 仅在叶轮 外缘和导叶入口处有微小的升高。而随着颗粒质量浓 度的升高， 叶轮外缘和正导叶的颗粒体积分数逐渐升 高， 并且区域逐渐扩大。当 ρp 50 kg/m3时， 反导叶、 出水口内侧的颗粒体积分数也明显升高。而当 ρp70 kg/m3和 90 kg/m3时， 叶轮流道和导叶流道的绝大部 分区域， 出水口的内侧至中部的颗粒体积分数都达到 了很高的水平。这体现了固相颗粒在流道中的聚集效 应， 由于叶轮的做功和流动方向的改变， 固相颗粒更易 于在上述区域聚集， 而随着固相颗粒质量浓度的进一 步提高， 这样的颗粒群紊流更加明显， 且更容易滞留， 使得上述区域的固相颗粒体积分数升高。同时， 这也 会引起更为严重的冲蚀和水力性能的下降。如果来流 中的颗粒浓度达到一定阈值或运行时间延长使滞留现 象凸显， 可能会导致泵腔内一些小几何尺寸的过流部 件发生堵塞， 使得冲压泵更快失效。 图 8不同固相颗粒质量浓度固相颗粒分布云图 Fig． 8Particle distribution cloud map of different solid phase particle mass concentration 4． 2流场速度分析 图 9 为不同固相颗粒质量浓度流场的速度云图。 可以将流场中固相颗粒的速度视作与流场速度一致。 而通过图 9 可以发现， 颗粒质量浓度的增加并没有引 起速度场发生变化， 可以认为颗粒浓度的变化对泵腔 内的速度场几乎没有影响。其中叶轮外缘和正导叶处 的流场速度最大， 其速度值介于 12 ～ 15 m/s。而这也 正是颗粒聚集的主要区域， 这说明过流部件中流速越 快的区域越容易引起颗粒聚集。同时， 颗粒浓度增大 也意味着颗粒冲击次数可能会增加， 流场速度越快即 颗粒冲击壁面的速度越快， 更有可能引起严重的冲蚀。 图 9不同固相颗粒质量浓度流场速度云图 Fig． 9Flow field velocity cloud map of different solid phase particle mass concentration 4． 3颗粒轨迹分析 为了探究不同过流部件的冲蚀特性产生差异的原 因， 以 ρp90 kg/m3时首级的叶轮和导叶为研究对象， 研究其冲蚀机理。图 10 为上述区域的颗粒轨迹与冲 蚀率云图。 图 10叶轮、 导叶的颗粒迹线与冲蚀率云图 Fig． 11Particle trajectory and erosion rate cloud map of impeller and vane 从图 10 可知， 进入叶轮流道的颗粒， 几乎全部聚 集在叶轮叶片与后盖板连接区域， 这是因为固相颗粒 本身与来流相同， 具备沿轴向的速度， 而由于固相颗粒 质量大， 叶轮对颗粒做功难以使其具备足够的周向速 度。所以颗粒在进入叶轮时很快到达后盖板区域。同 时， 叶轮叶片的高速圆周运动， 使得颗粒轨迹紧靠叶 片。综上所述， 固相颗粒对叶轮叶片和后盖板区域的 冲蚀尤为显著。且叶轮外缘的颗粒体积分数、 速度更 812振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 大， 所以叶轮外缘区域的叶片与后盖板连接处受到了 最大的冲蚀损伤。 而导叶流道内的颗粒在正导叶位置聚集且速度较 大， 当经过导叶叶片的环形空间时， 颗粒的迹线明显的 表示出颗粒与叶片转弯部分壁面冲击并产生速度方向 的变化。这样高体积分数、 高速度的颗粒冲击， 引起了 导叶叶片环形区域较高的冲蚀率。高冲击频率 由于 高颗粒体积分数 ， 高冲击速度和无缓冲的正面冲击三 重因素的耦合， 也是使得该区域的冲蚀率随着颗粒质 量浓度的上升而陡增的原因。 离散相模型下颗粒的迹线也表明颗粒的运动既有 规律性也有很强的随机性， 且影响冲压泵过流部件冲 蚀特性的因素绝不仅限于颗粒的体积分数和冲击速 度， 导致冲蚀特性更加难以准确预测和描述。 5结论 1当固相颗粒质量浓度上升时， 冲压泵的单级 扬程和单级效率均线性下降， 当 ρp 90 kg/m3时单级 扬程下降幅度为6． 89; 单级效率下降幅度为6． 95。 且每一级外特性变化趋势和幅度差异极小。 2 叶轮流道和导叶流道的冲蚀率与颗粒质量浓 度呈指数级正相关， 导叶流道的冲蚀率上升幅度更大。 叶轮冲蚀率最明显的区域为叶片与后盖板连接处， 导 叶冲蚀率最明显的区域为导叶叶片转弯部分。颗粒冲 蚀具有一定的随机性， 且颗粒质量浓度越高， 随机性 越强。 3 叶轮外缘、 正叶片区域的颗粒体积分数更高、 颗粒速度更大， 且颗粒的迹线表现出对于叶轮叶片与 后盖板连接处、 导叶叶片转弯部分的冲击， 较高的颗粒 浓度与冲击速度、 更为频繁的颗粒冲击是造成上述区 域较高的冲蚀率的主要原因。 参 考 文 献 ［1］ 郭源君，王永岩，庞佑霞． 碳钢材料的表面冲蚀疲劳研究 ［ J］ ． 振动与冲击， 2005， 24 4 44- 45． GUO Yuanjun，WANG Yongyan，PANG Youxia． Research on erosion fatigue of carbon steel surface［J］ ．Journal of Vibration and Shock， 2005， 24 4 44- 45． ［2］ 郭源君，庞佑霞． 硬粒子对聚合物材料表面的冲击摩擦研 究［ J］ ． 振动与冲击， 2003， 22 1 82- 84． GUO Yuanjun，PANG Youxia．Study on impact friction between hard particles and polymer material surface［J］ ． Journal of Vibration and Shock， 2003， 22 1 82- 84． ［3］ 汪家琼，赵瑞杰，孔繁余， 等． 不锈钢冲压焊接离心泵研 究现状［ J］ ． 水泵技术， 2015 4 11- 15． WANG Jiaqiong， ZHAO Ruijie， KONG Fanyu， et al． Research status of stainless steel stamping welding centrifugal pump［ J］ ． Pump Technology， 2015 4 11- 15． ［4］ WEIDONG S， CHUAN W， WEIGANG L， et al． Optimization design of stainless steel stamping multistage pump based on orthogonal test［J］ ． International Journal of Fluid Machinery ＆ Systems， 2010， 3 4 309- 314． ［5］ WANG C，SHI W，ZHOU L，et al．Effect analysis of geometric parameters on stainless steel stamping multistage pump by experimental test and numerical calculation［J］ ． Advances in Mechanical Engineering， 2013 12 1- 8． ［6］ LIU Y Y，LI R G，SUN K． Numerical simulation of internal flow in stamping and welding multistage centrifugal pump［ J］ ． Advanced Materials Research，2011，291/294/293/294 2608- 2611． ［7］ WANG Z，QIAN Z． Effects of concentration and size of silt particles on the perance of a double- suction centrifugal pump［ J］ ． Energy， 2017， 123 36- 46． ［8］ ADNAN A N，MANHOE K ． Erosion wear on centrifugal pump casing due to slurry flow［ J］ ． Wear，2016，364/365 103- 111． ［9］ SHI B，WEI J，ZHANG Y． A novel experimental facility for measuring internal flow of Solid- liquid two- phase flow in a centrifugal pump by PIV ［J］ ．International Journal of Multiphase Flow， 2017， 89 266- 276． ［ 10］ 郭源君，殷炯，何剑雄， 等． 水机过流件护面弹性涂层的 粒子流冲击溃裂与磨蚀研究［J］ ． 振动与冲击，2011，30 2 155- 158． GUO Yuanjun，YIN Jiong，HE Jianxiong，et al． Study on the debacle and abrasion of elastic coating of hydraulic turbine ［ J］ ．Journal of Vibration and Shock，2011，30 2 155- 158． ［ 11］ 郭源君，王永岩，庞佑霞，等． 材料的冲蚀疲劳研究［ J］ ． 振动与冲击， 2004， 23 2 37- 38． GUO Yuanjun，WANG Yongyan，PANG Youxia，et al． Research on abrasion fatigue of material［J］ ．Journal of Vibration and Shock， 2004， 23 2 37- 38． ［ 12］ 陈安华，郭源君，庞佑霞． 冲击摩擦及其对弹性涂层冲蚀 率的影响研究［ J］ ． 振动与冲击， 2005， 24 6 51- 53． CHEN Anhua，GUO Yuanjun，PANG Youxia．Study of impact friction and its influence on the erosion behavior of elastic coating［ J］ ． Journal of Vibration and Shock， 2005， 24 6 51- 53． ［ 13］ 刘娟，许洪元，唐澍， 等． 离心泵内固体颗粒运动规律与 磨损的数值模拟［J］ ． 农业机械学报，2008，39 6 54- 59． LIU Juan，XU Hongyuan，TANG Shu，et al．Numerical simulationoferosionandparticlemotiontrajectoryin centrifugal pump［ J］ ． Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2008， 39 6 54- 59． ［ 14］ 吴玉林，葛亮，陈乃祥． 离心泵叶轮内部固液两相流动的 大涡模拟［J］ ． 清华大学学报 自然科学版 ， 2001， 41 10 93- 96． WUYulin， GELiang， CHENNaixiang．Largeeddy simulation of silt- liquid two- phase flow through a centrifugal pump impeller［J］ ． Journal of Tsinghua University Science and Technology ， 2001， 41 10 93- 96． ［ 15］ 刘刚，陈超，韩金良，等． 液固两相流声发射检测系统设 计及实验评价［ J］ ． 振动与冲击， 2012， 31 22 178- 182． LIU Gang，CHEN Chao，HAN Jinliang，et al．Acoustic emission device design and laboratory uation for fluid- solid 912第 9 期郑水华等多级冲压泵固液两相流冲蚀特性 ChaoXing two phase flow［ J］ ． Journal of Vibration and Shock， 2012， 31 22 178- 182． ［ 16］ 汪家琼，蒋万明，孔繁余， 等． 固液两相流离心泵内部流 场数值模拟与磨损特性［J］ ． 农业机械学报，2013，44 11 53- 60． WANG Jiaqiong，JIANG Wanming，KONG Fanyu，et al． Numerical simulation of solid- liquid two- phase turbulent flow and wear characteristics of centrifugal pump［ J］ ． Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2013，44 11