抽黄工程用离心泵固液两相流数值模拟

发布时间：2019-10-13 01:57

【摘要】：基于Navier-Stokes方程和Eulerian-Lagrangian多相流模型,对一泵站离心泵固液两相流进行了双向流固耦合数值模拟,引入相关经验公式对离散固相动量方程进行修正,同时采用Alhert模型结合Mclaury磨损实验结果对过流部件的磨损计算方法进行了定义,并分析了各流量工况不同固相体积浓度下的流场特性和离心泵外特性变化规律。数值模拟计算结果表明:固相体积浓度对流场压力分布和流场流线有着显著的影响,伴随着固相体积浓度的增大叶轮叶片正背面平均压力均有着不同幅度的上升,而叶片前后压差却逐渐缩小,同时由于固相泥沙颗粒的存在对流场的紊动起到了抑制作用,一定程度上削弱了叶轮流道二次流动的强度,因此在个别工况下甚至出现了效率上升的情况;在小流量非设计工况下运行时,由于叶轮进口前水体发生预旋导致固相颗粒在离心力作用下与边壁发生撞击和切削,进而诱发了离心泵叶轮的口环磨损;固相体积浓度的递增将增大过流部件表面固相体积分数的分布,从而加剧过流部件的磨损程度。
【图文】：

网格图,压水室,交界区,叶轮

方法1.1计算模型本次计算时采用的实际离心泵，其主要设计参数如下：体积流量为0.6m3/s，扬程为40m，转速为540r/min，比转速ns=95.98。叶轮主要设计参数如表1所示。表1叶轮主要几何参数Table1Maingeometricparametersofimpellers进口直径D/mm出口直径D/mm出口宽度b/mm轴径D/mm叶片数Z4501000708071.2网格划分及无关解验证本文采用结构化网格技术将离心泵计算流场划分为4个区域（安装水流来流方向的先后顺序）：引水管道、叶轮、压水室、出口延伸段。其中叶轮与压水室交界区域网格如图1所示。经网格质量检测确保计算域结构化网格角度≥22.5，网格质量≥0.35。同时为了确保计算结果的可靠性，，本文基于SST湍流计算模型在不同计算域网格数下，对清水条件下设计工况进行了数值计算。并比较了离心泵扬程随着网格数量增加的变化规律，最终确定数值模拟计算使用的网格数量约为7.72×106，如图2所示。图1叶轮与压水室交界区域网格Fig.1Gridofimpellerandchamber

叶轮叶片,吸力面,磨损模型

量方程结合Finnie磨损模型计算所得的叶轮叶片磨损情况。通过对各工况的计算结果分析可知Alhert模型能够很好地预测叶轮叶片的磨损分布及磨损程度情况，在叶片压力面前者模型能预测磨损部位基本囊括了后者预测所得的磨损分布情况；在吸力面侧虽然Alhert模型的预测结果与Finnie模型有较大的出入，但前者预测所得的叶片吸力面磨损部位主要集中在叶片后部靠近出水边区域，这与实际工程和实验情况中离心泵叶轮磨损部位更为贴合[22]，因此本文选用改进的动量方程结合Alhert磨损模型对固液两相流离心泵磨损进行预测。图3展示了两种磨损模型对固相体积浓度Cv=0.0253设计流量Qr工况离心泵叶轮叶片吸力面磨损情况的预测结果。其中Alhert磨损模型计算结果为磨损部件磨损速率，单位为nm/s，Finnie磨损模型计算部件磨损结果单位为无量纲参量。（a）Alhert磨损模型（b）Finnie磨损模型图3叶轮叶片吸力面磨损情况Fig.3Wearonthesuctionsurfaceofanimpellerblade3.3固相体积浓度对外特性的影响图4定量分析了不同固相体积浓度下离心泵外特性变化规律，其中Cv=0为清水工况。0.30.40.50.60.70.80.9283236404448Hm/Q/(m3/s)Cv=0Cv=0.0063Cv=0.0253Cv=0.0402（a）流量-扬程曲线
【作者单位】：西安理工大学水利水电学院;
【基金】：国家自然科学基金(51679196;51179152)
【分类号】：TH311

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