張金釗，賈競(jìng)存

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

礦漿泵是采礦系統(tǒng)的核心裝備。在礦漿輸送過(guò)程中，漿體顆粒與水之間存在速度差，再加上顆粒本身具有慣性，因此顆粒并不能完全按照流線方向運(yùn)動(dòng)，從而與泵壁面產(chǎn)生碰撞。這不僅引起能量的損失，還會(huì)造成部件表面的磨損[1]。磨損嚴(yán)重時(shí)，泵過(guò)流部件損壞而失效，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致泵停機(jī)以及整個(gè)流程中斷。

礦漿泵屬于典型的固液兩相流泵，過(guò)流部件的幾何參數(shù)直接影響泵的磨損特性及水動(dòng)力性能。從降低磨損角度出發(fā)，LI等[2]發(fā)現(xiàn)在顆粒濃度較低的情況下，減小葉片出口角可以降低顆粒在葉輪中的聚集程度，有效改善葉輪整體磨損情況；李晶等[3]采用變角螺線法調(diào)整葉片線型，發(fā)現(xiàn)不同包角的葉輪磨損嚴(yán)重的位置未發(fā)生明顯改變，在大流量工況下，葉片包角對(duì)磨損的影響更明顯。從提高性能角度出發(fā)，ENGIN等[4]通過(guò)試驗(yàn)手段研究了泵葉輪與泵體之間間隙對(duì)性能的影響，結(jié)果表明，隨著間隙的增大，泵的效率有所降低，但最佳效率點(diǎn)保持不變；LI等[5]以低比轉(zhuǎn)速污水泵為研究對(duì)象，通過(guò)改變?nèi)~片出口角進(jìn)行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)在額定工況下，隨著葉片出口角的增大，泵的揚(yáng)程逐漸下降。

目前關(guān)于葉片包角的研究多針對(duì)清水離心泵，而對(duì)礦漿泵等固液兩相流體輸送泵內(nèi)的磨損特性的報(bào)道較少。葉片包角是葉片的關(guān)鍵幾何參數(shù)，在葉片數(shù)和葉片軸面投影圖確定的情況下，包角的大小反映流體在葉輪流道內(nèi)的擴(kuò)散程度，葉片包角對(duì)于礦漿泵的磨損特性及水動(dòng)力性能有著重要的影響。

本文借助商用離散元軟件 EDEM 和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件ANSYS Fluent，采用離散元（Discrete Element Method，DEM）與CFD耦合的方法，充分考慮顆粒與顆粒、顆粒與流體、顆粒與壁面之間的相互作用，研究在不同包角條件下，礦漿泵內(nèi)過(guò)流部件的磨損及固液兩相流動(dòng)特征，并對(duì)泵的運(yùn)行性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而評(píng)價(jià)葉片包角對(duì)礦漿泵綜合性能的影響。

1 計(jì)算模型

1.1 礦漿泵參數(shù)與幾何模型

本文選取某型礦漿泵為研究對(duì)象。該泵為臥式單級(jí)單吸離心泵，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖 1。固液兩相介質(zhì)自水平方向吸入。葉片為進(jìn)口略扭曲的圓柱形葉片。相對(duì)于普通離心泵，礦漿泵的流道寬敞，以提高固液兩相流體的通過(guò)性。該泵的主要設(shè)計(jì)參數(shù)及幾何參數(shù)：流量Q=28.2 m3/h；揚(yáng)程H=8 m；額定轉(zhuǎn)速n=1 470 r/min；葉片數(shù)Z=4；葉輪進(jìn)口直徑Dj=57 mm；出口直徑D2=170 mm；出口寬度b2=17 mm；蝸殼的基圓直徑D3=174 mm，進(jìn)口寬度b3=40 mm。

圖1 礦漿泵結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 包角調(diào)整及模型建立

為研究葉片包角對(duì)礦漿泵磨損特性的影響，本文在保證葉輪基本外徑相同的情況下，固定葉片進(jìn)口角，改變出口角，達(dá)到調(diào)整包角的目的。實(shí)物泵的包角φ=105°，重新設(shè)計(jì)包角分別為95°和115°的葉輪，并采用Siemens N X軟件進(jìn)行泵過(guò)流部件的三維建模，而后提取水體計(jì)算域。整個(gè)計(jì)算域由吸入段、葉輪域、壓出室域與出口段4個(gè)部分組成，3種葉輪的水體模型見(jiàn)圖2。

圖2 葉輪水體模型

1.3 網(wǎng)格劃分

采用ICEM CFD網(wǎng)格劃分軟件對(duì)整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于計(jì)算域形狀較復(fù)雜，采用適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格。為了減少3套葉輪網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差異性，按照相同網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分布規(guī)律進(jìn)行網(wǎng)格劃分，3套葉輪的網(wǎng)格與節(jié)點(diǎn)數(shù)量相當(dāng)，對(duì)包角為105°的計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，見(jiàn)圖 3。隨著網(wǎng)格數(shù)目的增多，泵輸送固液混合物時(shí)的揚(yáng)程逐漸降低，網(wǎng)格數(shù)大于500萬(wàn)時(shí)，揚(yáng)程趨于穩(wěn)定，為提高計(jì)算效率同時(shí)兼顧計(jì)算準(zhǔn)確性，選擇網(wǎng)格數(shù)為5.02×106的網(wǎng)格模型進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算分析。

圖3 泵揚(yáng)程隨網(wǎng)格數(shù)的變化

2 研究方法

2.1 材料參數(shù)設(shè)置

試驗(yàn)中采用棕剛玉作為磨料，實(shí)物泵的葉輪材質(zhì)為航空鋁，壓水室的材質(zhì)為白口鑄鐵。為便于在模擬中比較葉輪和壓水室的磨損情況，將壁面統(tǒng)一設(shè)置為航空鋁。模擬中顆粒和壁面間的相互作用參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 顆粒與壁面相互作用參數(shù)

2.2 計(jì)算方法及邊界條件

本文采用DEM-CFD耦合的方法計(jì)算泵內(nèi)固液兩相的運(yùn)動(dòng)，該方法可以發(fā)揮離散元軟件EDEM與商用CFD軟件ANSYS Fluent的各自優(yōu)勢(shì)，在處理多相流問(wèn)題上，更加接近物理真實(shí)[6]。固液之間的耦合計(jì)算在歐拉-拉格朗日框架下進(jìn)行。利用ANSYS Fluent在歐拉坐標(biāo)系下對(duì)液相進(jìn)行求解，控制方程為基于雷諾平均的N-S方程，采用RNG k-ε湍流模型使控制方程封閉，采用SIMPLEC算法耦合流場(chǎng)中的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)[7]。計(jì)算域的進(jìn)口采用速度進(jìn)口邊界條件，入口處湍流強(qiáng)度為 5%，出口設(shè)置為Outflow邊界。近壁面區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，壁面的粗糙度高度為0.046 mm。各監(jiān)測(cè)量的收斂精度統(tǒng)一設(shè)為10?5。利用EDEM在拉格朗日坐標(biāo)系下對(duì)固相顆粒進(jìn)行求解，設(shè)定顆粒為單一粒徑的球形。模擬過(guò)程中不考慮熱交換。顆粒與顆粒間的接觸模型選用Hertz-Mindlin無(wú)滑移模型[8]。磨損模型采用磨損分析中常用的Archard模型[9]。

3 結(jié)果分析及討論

3.1 葉片包角對(duì)水力性能的影響

3種不同包角的固液輸送泵，揚(yáng)程和效率見(jiàn)表2。從表2可以看出，隨著包角的增大，泵的揚(yáng)程逐漸降低，效率先增大后減小，在φ=105°時(shí)泵的效率取得最大值。由圖4可以看出，包角增大時(shí)，葉輪出口處水和顆粒速度降低，壓水室中顆粒運(yùn)動(dòng)緩慢，產(chǎn)生堆積，進(jìn)一步阻礙水的流動(dòng)，不利于固液混合物排出泵域，因此揚(yáng)程下降。包角過(guò)小時(shí)，葉片對(duì)流體控制能力降低，葉片單位面積負(fù)荷加大，導(dǎo)致葉片表面出現(xiàn)脫流現(xiàn)象，在葉片工作面附近出現(xiàn)低速旋渦，堵塞部分流道，增大了水力損失；包角過(guò)大時(shí)，葉片長(zhǎng)度和彎曲程度都增大，因此固液混合物與葉片之間摩擦面積增大，從而帶來(lái)摩擦損失。因此泵的效率隨葉片包角的增大先升高后降低。

表2 不同包角條件下的泵揚(yáng)程和效率

圖4 流體相速度矢量圖

3.2 葉片包角對(duì)磨損特性的影響

不同包角情況下，葉片的磨損量分布見(jiàn)圖 5。從圖5可以看出葉片背面幾乎沒(méi)有磨損產(chǎn)生，工作面上磨損分布不均勻，在工作面出口位置出現(xiàn)較為嚴(yán)重的磨損。

圖5 葉片表面磨損量分布

為便于分析葉片工作面各位置的磨損情況，在葉片工作面與前蓋板交界處等距離取10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖 6。在不同包角條件下，磨損量沿位置的變化見(jiàn)圖 7?？傮w來(lái)看，從葉片進(jìn)口到出口，磨損量先減小后增大。隨著葉片包角的增大，葉片出口位置的磨損量逐漸減??；葉片包角時(shí)φ=115°時(shí)，葉片工作面上磨損最大的位置位于監(jiān)測(cè)點(diǎn)8附近，監(jiān)測(cè)點(diǎn)10位置處的磨損量最小，而當(dāng)包角φ=95°和φ=105°時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)10處的磨損量最高。

圖6 葉片工作面監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

圖7 葉片工作面的磨損量分布

圖8為不同包角情況下在t=0.408 16 s時(shí)泵內(nèi)顆粒速度分布。在葉輪進(jìn)口處出現(xiàn)低速區(qū)域，由于顆粒的比重較大，受重力的影響，進(jìn)口處顆粒分布不均勻，靠近下方的顆粒濃度更高，速度更低。顆粒進(jìn)入葉輪流道后，葉片高速旋轉(zhuǎn)，葉片推動(dòng)著顆粒做功，顆粒速度不斷上升。葉片包角的增大，使得葉片變彎變長(zhǎng)，顆粒沿著葉片工作面運(yùn)動(dòng)時(shí)因摩擦及碰撞導(dǎo)致的能量損失增大。因此，葉片出口處顆粒的速度隨著包角的增大而減小。

圖8 泵內(nèi)速度分布

葉片工作面上顆粒與不同位置發(fā)生碰撞時(shí)的相對(duì)速度和相對(duì)角度見(jiàn)圖 9。顆粒由吸入段進(jìn)入葉輪后，速度方向由軸向轉(zhuǎn)變?yōu)閺较颍趹T性的作用下，顆粒與葉片進(jìn)口產(chǎn)生碰撞。監(jiān)測(cè)點(diǎn)1位于葉輪的進(jìn)口區(qū)域，顆粒與壁面之間的平均碰撞角度最大，因此葉片進(jìn)口處的磨損主要由顆粒大角度碰撞所導(dǎo)致。顆粒進(jìn)入葉輪流道后，與壁面之間的碰撞角度維持在較低的水平。從葉片出口處顆粒速度推測(cè)，葉片包角減小，葉片較直，葉片與顆粒碰撞后，顆粒的速度矢量與壁面的切線方向之間的夾角增大，因此顆粒與壁面之間碰撞角增大。

圖9 各葉片工作面位置的碰撞速度和角度

沿著葉片出口方向，顆粒與葉片的碰撞速度逐漸升高，所以葉片工作面出口處的磨損是由于顆粒低角度高速碰撞或橫向切削摩擦所致。由于3種不同包角的葉輪靠近葉片進(jìn)口處的型線基本保持一樣，從監(jiān)測(cè)點(diǎn)1到監(jiān)測(cè)點(diǎn)3，顆粒與壁面的相對(duì)碰撞速度也基本相同。葉片包角減小。會(huì)降低葉片對(duì)流體和顆粒的束縛力，顆粒與壁面碰撞后，在慣性的作用下，暫時(shí)遠(yuǎn)離葉片工作面，高速旋轉(zhuǎn)的葉片再次與顆粒碰撞。從監(jiān)測(cè)點(diǎn)4開(kāi)始到葉片出口即監(jiān)測(cè)點(diǎn)10，95°包角的葉片各個(gè)位置附近顆粒碰撞速度均最高，因此葉片工作面出口處磨損最為嚴(yán)重。葉片包角的增大可以有效減輕葉片出口的磨損程度。

現(xiàn)統(tǒng)計(jì)在葉輪旋轉(zhuǎn)第10個(gè)周期內(nèi)，顆粒與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置碰撞的次數(shù)，見(jiàn)圖10。包角φ=95°時(shí)，碰撞次數(shù)曲線波動(dòng)較為嚴(yán)重，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)5位置上，碰撞次數(shù)達(dá)到極大值，因此該位置磨損較嚴(yán)重。包角φ=115°時(shí)，各個(gè)位置監(jiān)測(cè)到的碰撞次數(shù)較少，變化幅度也較小，顆粒與監(jiān)測(cè)點(diǎn)8所在位置發(fā)生碰撞后，離開(kāi)壁面，顆粒在慣性作用下進(jìn)入壓出室，從而避免顆粒與葉片再次碰撞，監(jiān)測(cè)點(diǎn)9和10與顆粒碰撞幾率較小，因此磨損較輕。

圖10 各葉片工作面位置的碰撞次數(shù)

圖11為壓水室的磨損量分布圖，與葉輪相比，壓水室的磨損較輕。壓水室的IV-VII斷面及隔舌處磨損較為嚴(yán)重。葉輪包角的不同，影響壓水室壁面的特性，總體來(lái)看，隨著葉輪包角的增大，壓水室的磨損情況有所改善。

圖11 壓水室磨損量分布圖（圖中標(biāo)尺單位為：mm）

沿壓水室壁面等距離取15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即點(diǎn)11～點(diǎn)25，點(diǎn)11和點(diǎn)25分別位于第I斷面和第VII斷面與壁面的交界處，具體分布見(jiàn)圖12。

圖12 壓水室監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的磨損深度，見(jiàn)圖13。3種不同的包角下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)22和23磨損量最大，因此壓水室中IV-VII斷面之間區(qū)域磨損最為嚴(yán)重。隨著葉片包角的增大，壓水室各位置的磨損量均減小。由圖8可以看出，葉片包角的增大，會(huì)降低葉輪出口處顆粒的速度，所以顆粒與壓水室之間碰撞速度也會(huì)降低，這是壓水室壁面磨損量降低的主要原因；顆粒在壓水室中運(yùn)動(dòng)速度降低，會(huì)使壓水室中顆粒濃度升高，大量顆粒堆積在壓水室V-VII斷面區(qū)間內(nèi)?？拷诿娴念w粒形成了緩沖層，從葉輪甩出的顆粒直接與緩沖層碰撞，阻礙顆粒直接撞擊壁面，起到減輕磨損的作用[10]。

圖13 壓水室各監(jiān)測(cè)點(diǎn)磨損量

4 結(jié)論

本文應(yīng)用數(shù)值模擬的方法對(duì)礦漿泵過(guò)流部件的磨損特征進(jìn)行了研究，重點(diǎn)考慮了葉片包角對(duì)磨損和水動(dòng)力性能的影響。采用DEM-CFD耦合的方法并配合磨損模型可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)固液輸送泵內(nèi)的磨損特性；葉輪內(nèi)磨損嚴(yán)重區(qū)域位于葉片工作面出口附近，壓水室VI-VII斷面磨損較為嚴(yán)重。隨著葉片包角的增大，泵的揚(yáng)程逐漸降低，效率先增大后減小，在包角為105°時(shí)泵的效率取得最大值。同時(shí)，隨著葉片包角增大，葉片工作面的磨損情況有明顯改善，磨損最嚴(yán)重的位置逐漸遠(yuǎn)離葉片出口；壓水室各個(gè)斷面的磨損量均降低，磨損嚴(yán)重位置未發(fā)生明顯改變。