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        固液兩相葉片圓盤泵蝸殼內(nèi)流動數(shù)值模擬*

        2014-05-29 00:37:51周昌靜陳國明譚海東
        化工機(jī)械 2014年4期
        關(guān)鍵詞:蝸殼固液圓盤

        周昌靜 陳國明 譚海東

        (1.中國石油大學(xué) a.化學(xué)工程學(xué)院;b.海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心;2.長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

        葉片圓盤泵由于葉輪葉片的軸向不連續(xù),使其無堵塞、性能好,葉輪受磨損程度小,作為一種新型泵,目前越來越多的應(yīng)用于市政、石油、化工、采礦及冶金等行業(yè)的難以實(shí)現(xiàn)泵送的場合,用于輸送含有固體顆粒的固液兩相或多相介質(zhì)[1,2]。由于其葉輪結(jié)構(gòu)的特殊性和輸送介質(zhì)的多樣性,固液兩相葉片圓盤泵內(nèi)部的流動極其復(fù)雜。文獻(xiàn)[3]根據(jù)葉片圓盤泵葉輪存在無葉區(qū)的特點(diǎn)通過泵內(nèi)固液兩相的流動模擬,對葉輪內(nèi)固液兩相流動規(guī)律和顆粒分布規(guī)律進(jìn)行了分析。但對葉片圓盤泵蝸殼內(nèi)的固液兩相流動規(guī)律,還未見到有關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道。蝸殼作為泵的重要過流部件,其設(shè)計(jì)不合理常常會導(dǎo)致泵的運(yùn)行效率低、葉輪所受徑向力大和局部磨損嚴(yán)重,造成能源和材料浪費(fèi)[4,5]。筆者以一個(gè)固液兩相葉片圓盤泵為研究對象,對其內(nèi)部流動進(jìn)行固液兩相工況下的數(shù)值模擬,將其內(nèi)部流動可視化,得到了蝸殼內(nèi)的速度、壓力和固相體積分?jǐn)?shù)分布,并根據(jù)葉片圓盤泵的葉輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對蝸殼流道內(nèi)的流動特征進(jìn)行研究,為更好地實(shí)現(xiàn)葉片圓盤泵葉輪與蝸殼的匹配設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

        1 葉片圓盤內(nèi)固液兩相流動的模擬

        1.1 模型建立和網(wǎng)格劃分

        數(shù)值計(jì)算所用模型泵葉輪結(jié)構(gòu)如圖1所示,特點(diǎn)是葉片在軸向不連續(xù),流道較一般的離心泵要寬。葉輪外徑200mm,盤間距36mm,葉片高度13mm,采用環(huán)形蝸殼結(jié)構(gòu)。根據(jù)葉片圓盤泵葉輪葉片軸向不連續(xù)的特點(diǎn),將葉輪無葉區(qū)和葉片區(qū)內(nèi)流動計(jì)算域分別建模,計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格如圖2所示。

        圖1 圓盤泵葉輪

        1.2 邊界條件

        基于文獻(xiàn)[3]關(guān)于葉片圓盤泵內(nèi)固液兩相流動所作的假設(shè),將單相流動的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型擴(kuò)展至多相湍流模型,將單相流的壓力速度耦合SIMPLEC算法擴(kuò)展至多相流動中[6],可對葉片圓盤泵內(nèi)的固液兩相流動進(jìn)行數(shù)值模擬。

        圖2 計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格

        泵的進(jìn)口采用穩(wěn)態(tài)、均相、軸向速度恒定的速度進(jìn)口條件,由質(zhì)量守恒定律和進(jìn)口無預(yù)旋的假設(shè)確定軸向速度,這里假定固液兩相在入口有相同的速度,同時(shí)假定進(jìn)口截面濃度分布相同,給定來流速度、湍動能和耗散率的預(yù)估值。流道內(nèi)過流壁面上均采用無滑移壁面條件,采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)模擬近壁面的流動。泵的出口采用自由出流條件。

        2 計(jì)算結(jié)果及分析

        以粒徑為0.25mm、固相體積分?jǐn)?shù)為10%的工況為例,對葉片圓盤泵蝸殼內(nèi)速度、壓力和顆粒固相體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律進(jìn)行分析。針對葉片圓盤泵葉輪不連續(xù)的特點(diǎn),分別對葉輪無葉區(qū)和葉片區(qū)內(nèi)作出軸截面,z0表示葉輪中間截面,即無葉區(qū)中間截面,z0.5和z-0.5分別表示進(jìn)口側(cè)從動盤和輪轂側(cè)主動盤葉片區(qū)中間軸截面(1/2葉高),圖3為軸截面示意圖。

        2.1 蝸殼軸截面內(nèi)速度分析

        圖3 分析截面示意圖

        圖4為蝸殼內(nèi)3個(gè)軸截面內(nèi)速度分布,可以看出,葉片區(qū)和無葉區(qū)所對應(yīng)軸截面蝸殼內(nèi)速度明顯不同,蝸殼中間截面內(nèi)速度明顯低于葉片區(qū)所對截面內(nèi)速度,關(guān)于中間截面對稱的葉片區(qū)兩截面所對應(yīng)的蝸殼內(nèi)速度分布基本一致,這與文獻(xiàn)[7]根據(jù)葉片圓盤泵葉輪內(nèi)葉片區(qū)和無葉區(qū)速度分布所分析的葉片圓盤泵工作機(jī)理相一致,即葉輪內(nèi)無葉區(qū)流體是在葉片區(qū)流體帶動下混合流入蝸殼的,所以蝸殼內(nèi)無葉區(qū)所對應(yīng)截面內(nèi)速度要小于葉片區(qū)所對截面速度。3個(gè)截面內(nèi)沿徑向速度梯度明顯,速度隨蝸殼半徑增大而減?。辉诳拷羯嗵幋嬖诘退賲^(qū),特別是葉片區(qū)所對應(yīng)截面內(nèi)速度變化明顯,在蝸殼靠近擴(kuò)散管出口區(qū)域存在高速區(qū),這可能是由于在這兩處截面設(shè)計(jì)不合理、面積變化不均造成的,同時(shí)擴(kuò)散管內(nèi)速度在擴(kuò)散管隔舌側(cè)近壁面部分區(qū)域存在明顯的低速區(qū),分析是擴(kuò)散角與葉片圓盤泵葉輪不匹配造成的。

        圖4 蝸殼軸截面速度分布

        2.2 蝸殼軸截面內(nèi)壓力分析

        從圖5蝸殼中3個(gè)軸截面的壓力分布可以看出,無葉區(qū)和葉片區(qū)所對應(yīng)的軸截面蝸殼內(nèi)壓力變化不大,這與文獻(xiàn)[7]所得到的葉輪內(nèi)接近葉輪出口無葉區(qū)和葉片區(qū)壓力差別不大的結(jié)論是一致的。隨著蝸殼半徑的增大壓力基本上呈不斷增加,從隔舌開始沿順時(shí)針方向壓力也不斷增加,在蝸殼擴(kuò)散管段壓力不斷升高,說明蝸殼擴(kuò)散管段起到了降速擴(kuò)壓的效果。在靠近隔舌和擴(kuò)散管處存在局部的低壓區(qū),這與圖4中的速度分布相對應(yīng)。

        圖5 蝸殼軸截面壓力分布

        2.3 蝸殼軸截面內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)分析

        圖6為蝸殼內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)的分布,可以看出,與葉輪無葉區(qū)相對應(yīng)的蝸殼截面內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于葉片區(qū)所對應(yīng)的截面內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù),這與圖7所示的葉輪內(nèi)內(nèi)顆粒分布相關(guān)。由圖7可以看到葉輪內(nèi)無葉區(qū)的固相體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于葉片區(qū)內(nèi)的固相體積分?jǐn)?shù),說明葉輪內(nèi)固相顆粒主要經(jīng)無葉區(qū)內(nèi)流出進(jìn)入蝸殼,導(dǎo)致蝸殼與葉輪無葉區(qū)相對應(yīng)軸截面內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)大于葉輪葉片區(qū)所對應(yīng)截面內(nèi)體積分?jǐn)?shù)。徑向上顆粒體積分?jǐn)?shù)沿蝸殼也存在梯度,越靠近蝸殼流道壁顆粒濃度越高,這與蝸殼內(nèi)的速度分布相關(guān),如前面分析的與無葉區(qū)相對應(yīng)部分的流體速度和靠近流道壁處流體速度相對較小,因而固相顆粒受液相帶動的影響較小,所以在與無葉區(qū)所對應(yīng)的的蝸殼壁面附近固相體積分?jǐn)?shù)最大。

        圖6 蝸殼軸截面固相體積分?jǐn)?shù)分布

        圖7 葉輪內(nèi)不同半徑環(huán)接截面固相體積分?jǐn)?shù)分布

        3 結(jié)束語

        通過對葉片圓盤泵內(nèi)固液兩相流動的數(shù)值計(jì)算,實(shí)現(xiàn)了葉片圓盤泵蝸殼內(nèi)流動模擬,根據(jù)葉片圓盤泵葉輪存在無葉區(qū)的特點(diǎn),分析得到蝸殼內(nèi)葉輪葉片區(qū)和無葉區(qū)所對應(yīng)軸截面內(nèi)部流動特征,同時(shí)根據(jù)蝸殼內(nèi)流動發(fā)現(xiàn)蝸殼中存在設(shè)計(jì)不合理截面。為后續(xù)葉片圓盤泵與不同蝸殼的匹配、蝸殼內(nèi)流動的進(jìn)一步分析打下基礎(chǔ),對葉片圓盤泵的性能優(yōu)化具有重要參考價(jià)值。

        參考文獻(xiàn)

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