任藹琳,宋文武*,周 月

(1.西華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,四川 成都 610039;2.西華大學(xué) 流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610039)

0 引 言

在低比轉(zhuǎn)速離心泵所輸送的介質(zhì)中，除了液相之外，還會(huì)存在一定量的固相，這不僅讓離心泵內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)變得更加難以預(yù)測(cè)，還會(huì)使其過(guò)流部件嚴(yán)重磨損，影響其穩(wěn)定運(yùn)行。長(zhǎng)此以往，不僅會(huì)導(dǎo)致低比轉(zhuǎn)速離心泵的生命周期縮短，還會(huì)因長(zhǎng)期偏工況運(yùn)行而造成能源浪費(fèi)。

低比轉(zhuǎn)速離心泵工作時(shí)，葉片周期性經(jīng)過(guò)蝸殼隔舌部位，其所產(chǎn)生的動(dòng)靜干涉易誘發(fā)壓力脈動(dòng)，會(huì)造成泵體的振動(dòng)，影響運(yùn)行穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起廠房共振，造成更嚴(yán)重的安全事故。因此，研究離心泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)特性對(duì)于實(shí)際運(yùn)行中的故障預(yù)測(cè)與診斷有著十分重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)壓力脈動(dòng)特性的影響問題展開了大量研究。羅旭等人[1]對(duì)高速離心泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，高速離心泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)幅值最大值出現(xiàn)在葉輪出口處，最小值出現(xiàn)在蝸殼出口處。張憶寧等人[2]在分析不同葉片出口角下離心泵壓力脈動(dòng)及徑向力時(shí)，研究了葉片出口安放角對(duì)兩級(jí)礦用潛水離心泵壓力脈動(dòng)及徑向力的影響。程偉等人[3]對(duì)離心泵的隔舌區(qū)域進(jìn)行了重點(diǎn)研究，結(jié)果表明，在不同工況下，流道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的主頻均出現(xiàn)在1倍葉頻處，且隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)與隔舌周向距離的變大，其壓力脈動(dòng)幅值逐漸減小。王業(yè)芳等人[4]采用了分離渦模擬的方法，對(duì)低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵進(jìn)行了非定常數(shù)值計(jì)算，得到了不同小流量工況下，葉輪與蝸殼內(nèi)部壓力脈動(dòng)頻率的變化特點(diǎn)。張寧等人[5]采用了試驗(yàn)的手段，對(duì)低比轉(zhuǎn)速離心泵的壓力脈動(dòng)頻譜特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了離心泵蝸殼的壓力脈動(dòng)頻譜特性。LI Qian-qian等人[6]以雙吸式離心泵為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬，采用增加葉片數(shù)和增大葉輪與蝸殼間徑向間隙的方法，有效降低了離心泵內(nèi)的壓力脈動(dòng)強(qiáng)度。

CHENG Xiao-rui等人[7]對(duì)離心泵湍流壓力脈動(dòng)與內(nèi)部聲場(chǎng)特性的相關(guān)性進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，離心泵內(nèi)部流體動(dòng)力噪聲的分布與其壓力脈動(dòng)有關(guān)。CHALGHOUM I等人[8]研究了轉(zhuǎn)子-定子相互作用對(duì)離心泵非定常壓力脈動(dòng)和徑向力的影響，通過(guò)傅里葉變換，得到了泵內(nèi)壓力脈動(dòng)頻譜，研究發(fā)現(xiàn)，葉輪葉片與蝸殼隔舌的相對(duì)位置使得壓力脈動(dòng)呈周期性變化。

在現(xiàn)有的相關(guān)研究中，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)大多設(shè)置在葉輪及蝸殼處，少有在隔舌處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并研究隔舌處壓力脈動(dòng)規(guī)律。故筆者在隔舌處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)數(shù)值模擬得出隔舌處的壓力脈動(dòng)特性，以彌補(bǔ)該部分的空缺。

其他學(xué)者對(duì)清水條件下的離心泵壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行了研究。

萬(wàn)倫等人[9]研究了蝸殼隔舌安放角對(duì)中比轉(zhuǎn)速離心泵性能的影響，結(jié)果表明，適當(dāng)增大隔舌安放角有助于改善離心泵蝸殼隔舌和出口處的壓力脈動(dòng)。顧延?xùn)|等人[10]研究了泵葉輪出口寬度對(duì)蝸殼內(nèi)壓力脈動(dòng)強(qiáng)度的影響，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，對(duì)比了試驗(yàn)結(jié)果，并得出結(jié)論，即對(duì)于同一葉輪出口寬度，小流量下蝸殼內(nèi)壓力脈動(dòng)強(qiáng)度最大、大流量次之。金永鑫等人[11]改變了離心泵葉輪出口葉片真實(shí)厚度，研究了葉片厚度對(duì)泵性能及其非定常特性的影響。RAN Hong-juan等人[12]采用在性能曲線正斜率附近的不穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)處測(cè)量壓力脈動(dòng)的方法，得到了大流量條件下泵的壓力脈動(dòng)特性，該研究有助于抽水蓄能機(jī)組的安全運(yùn)行。朱相源等人[13]對(duì)離心泵進(jìn)行了動(dòng)靜干涉研究，采用了試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，得到了小流量下蝸殼壓力由隔舌至出口逐漸增大、大流量下與之相反的結(jié)論。ZHANG Ming等人[14]的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)葉輪和導(dǎo)葉的葉片數(shù)量相同時(shí)，轉(zhuǎn)子和定子葉片之間的相互作用引起的流體力很小。FU Da-chun等人[15]采用試驗(yàn)的方法，研究了雙吸式離心泵的葉輪交錯(cuò)角對(duì)壓力脈動(dòng)的影響，結(jié)果表明，當(dāng)葉輪交錯(cuò)角接近24°或360°時(shí)，泵內(nèi)壓力脈動(dòng)水平降低了50%。JIA Xiao-qi等人[16]針對(duì)離心泵的研究結(jié)果表明，靠近離心泵隔舌處的壓力脈動(dòng)最強(qiáng)，隨著流量變大，葉輪通道內(nèi)局部高壓區(qū)減少，流動(dòng)也更加平穩(wěn)。談明高等人[17]基于Mixture多相流模型和拓展的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，對(duì)雙流道泵進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)，得出了雙流道泵內(nèi)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)特性。韓偉等人[18]采用了大渦數(shù)值模擬的方法，對(duì)比分析了固液兩相介質(zhì)和清水介質(zhì)時(shí)，泵內(nèi)不同位置處壓力脈動(dòng)幅值變化特性。PEI Jei等人[19]對(duì)低比轉(zhuǎn)速離心泵進(jìn)行了三維瞬態(tài)數(shù)值模擬，結(jié)果表明，可以通過(guò)改變?nèi)~輪前緣的幾何形狀方法，來(lái)降低其壓力脈動(dòng)的強(qiáng)度。GAO Qi-feng等人[20]采用RNGk-ε湍流模型，對(duì)泵進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壓力脈動(dòng)呈周期性的主要原因是高壓區(qū)的移動(dòng)。BAI Ling等人[21]以3種不同配置的離心泵為研究對(duì)象，分析了導(dǎo)葉葉片數(shù)與泵內(nèi)壓力脈動(dòng)的關(guān)系，結(jié)果表明，導(dǎo)葉葉片數(shù)越少，壓力脈動(dòng)強(qiáng)度越小。WANG Chuan等人[22]的研究發(fā)現(xiàn)，葉輪中流體的壓力脈動(dòng)來(lái)自于外向?qū)~進(jìn)口側(cè)，而導(dǎo)葉中的壓力脈動(dòng)來(lái)自葉輪葉片的出口側(cè)，壓力脈動(dòng)本質(zhì)上是一種具有可識(shí)別的振幅、頻率和相位的波。LIU Hou-lin等人[23]通過(guò)試驗(yàn)的方式得出了結(jié)論，即離心泵內(nèi)壓力脈動(dòng)的主要原因是葉輪出口處轉(zhuǎn)子-定子干擾，壓力脈動(dòng)的主要頻率是葉片的通過(guò)頻率。萬(wàn)麗佳等人[24]采用了Mixture混合多相流模型，利用CFX軟件對(duì)泵進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同顆粒濃度時(shí)其瞬時(shí)湍動(dòng)能、壓力脈動(dòng)及徑向力。韓偉等人[25]運(yùn)用了滑移網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)離心泵進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于清水相或固液兩相，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力系數(shù)均隨著流量的增加而逐漸減小，脈動(dòng)也隨著流量的增加而逐漸趨于規(guī)律化。李仁年等人[26]選用了Mixture混合模型和大渦模擬(large eddy simulation，LES)，對(duì)導(dǎo)葉式離心泵進(jìn)行了全流場(chǎng)三維模擬計(jì)算，研究了不同粒徑的顆粒對(duì)動(dòng)靜葉柵內(nèi)固液兩相渦流結(jié)構(gòu)演化過(guò)程的影響。

綜上所述，目前相關(guān)研究的內(nèi)容主要集中在不同流量工況下泵的壓力脈動(dòng)特性分析，而在固液兩相條件下的壓力脈動(dòng)特性分析則相對(duì)較少。

故筆者在固液兩相流條件下，對(duì)離心泵內(nèi)，特別是隔舌處的壓力脈動(dòng)情況展開研究，即通過(guò)構(gòu)建離心泵三維仿真模型，采用ANSYS CFX軟件，選用Mixture多相流模型和RNGk-ε湍流模型，在離心泵葉片、蝸殼以及隔舌處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)低比轉(zhuǎn)速離心泵內(nèi)部的壓力脈動(dòng)及徑向力規(guī)律進(jìn)行分析，以得到離心泵內(nèi)顆粒粒徑、顆粒濃度和離心泵流量對(duì)離心泵特性的影響規(guī)律。

1 計(jì)算模型

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

筆者的研究對(duì)象為一臺(tái)ns=66的低比轉(zhuǎn)速離心泵，其基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 模型泵基本設(shè)計(jì)參數(shù)

模型泵整體由進(jìn)口段、蝸殼、葉輪、出口段4個(gè)部分組成。筆者在進(jìn)口段和出口段分別延伸了一定的長(zhǎng)度，以求模擬結(jié)果更加貼近真實(shí)流動(dòng)情況。

模型泵(離心泵)三維水體模型如圖1所示。

圖1 模型泵(離心泵)三維模型

1.2 網(wǎng)格劃分

筆者利用ICEM軟件對(duì)低比轉(zhuǎn)速離心泵過(guò)流部件進(jìn)行適應(yīng)性更好的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分；為獲得更好的網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)隔舌和葉片頭部等位置做了適當(dāng)?shù)木植考用芴幚怼?/p>

在清水條件下，筆者對(duì)符合計(jì)算要求的3種網(wǎng)格方案進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如表2所示。

表2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)表

當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到152.3×104后，網(wǎng)格數(shù)量的增加對(duì)離心泵效率和揚(yáng)程的影響量在1%以內(nèi)，由此可見，網(wǎng)格數(shù)量繼續(xù)變化對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大。

經(jīng)綜合考慮，筆者選B為最終網(wǎng)格方案。

各過(guò)流部件最終網(wǎng)格數(shù)量如表3所示。

表3 過(guò)流部件網(wǎng)格數(shù)量

2 數(shù)值模擬計(jì)算

Mixture模型將不同相間作為互相穿插的連續(xù)介質(zhì)，假定各向同性且不考慮相間傳熱，較適用于強(qiáng)旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的兩相流計(jì)算場(chǎng)景[27]。

筆者研究的固相分布較廣，且需要計(jì)算其相關(guān)屬性，故選擇適用于強(qiáng)旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的兩相流計(jì)算場(chǎng)景的Mixture模型。

其連續(xù)方程為：

(1)

式中：ρm—混合相密度，kg/m3；vm—質(zhì)量平均速度。

質(zhì)量平均速度為：

(2)

式中：n—相的個(gè)數(shù)；αk—第k相體積分?jǐn)?shù)；ρk—第k相密度，kg/m3；vk—相對(duì)速度。

混合相密度為：

(3)

式中：ρm—混合相密度，kg/m3；αk—第k相體積分?jǐn)?shù)；ρk—第k相密度，kg/m3。

動(dòng)量方程為：

(4)

混合相的黏性為：

(5)

式中：n—相的個(gè)數(shù)；μk—第k相黏性，Pa·s；ak—第k相體積分?jǐn)?shù)。

次相k的漂移速度為：

vdr，k=vk-vm

(6)

式中：vdr，k—次相k的漂移速度；vm—質(zhì)量平均速度；vk—相對(duì)速度。

筆者采用ANSYS CFX軟件，選用Mixture多相流模型和RNGk-ε湍流模型，對(duì)低比轉(zhuǎn)速離心泵內(nèi)部的壓力脈動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析。

2.1 求解條件

該處液相定義為Water(25 ℃)；固相定義為Sand；顆粒密度為2 650 kg/m3。計(jì)算邊界條件采用總壓進(jìn)口條件，質(zhì)量流量出口條件。筆者將定常計(jì)算結(jié)果作為非定常計(jì)算的初始條件。在非定常計(jì)算中，進(jìn)口段與葉輪、葉輪與蝸殼間的交界面設(shè)置為Transient Rotor Stator模式。葉輪每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈需0.020 69 s(定義其旋轉(zhuǎn)5圈以得到相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)果)，則計(jì)算總時(shí)間為0.103 45 s。設(shè)每3°為一時(shí)間步，則時(shí)間步長(zhǎng)為Δt=1.724 14×10-4s。低比轉(zhuǎn)速離心泵的軸頻為fn=48.33 Hz，葉頻為fBPF=483.33 Hz。

設(shè)置的計(jì)算方案如表4所示。

表4 方案設(shè)置

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

筆者在蝸殼出口處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)W0，蝸殼流道中順時(shí)針設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)W1～W4，隔舌處監(jiān)測(cè)點(diǎn)P0，在葉片壓力面和吸力面分別設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)X1～X5及Y1～Y5。

具體分布情況如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布示意圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 壓力脈動(dòng)特性

泵內(nèi)的壓力脈動(dòng)主要有隨機(jī)脈動(dòng)、葉頻倍頻脈動(dòng)和軸頻倍頻脈動(dòng)3類[28,29]。

3.1.1 定濃度變粒徑條件下的葉片壓力面壓力脈動(dòng)特性

當(dāng)φ=1.0%，不同粒徑時(shí)，隔舌附近葉片壓力面的壓力脈動(dòng)頻域如圖3所示。

由圖3可知：X1點(diǎn)位于葉片尾部，該處壓力脈動(dòng)幅值在低頻區(qū)間的變化頻繁，在其他區(qū)間亦有不規(guī)則的幅值波動(dòng)；位于葉片吸力面3/4位的X2點(diǎn)所檢測(cè)到的壓力脈動(dòng)相比X1點(diǎn)的壓力脈動(dòng)規(guī)律性更強(qiáng)，除1fBPF以左處有幅值波動(dòng)外，其余頻率幾乎沒有幅值波動(dòng)；位于葉片壓力面中心的X3監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，低頻區(qū)的脈動(dòng)幅值整體有所增加，其余頻段有輕微波動(dòng)；在更靠近葉片頭的X4、X5點(diǎn)處，低頻區(qū)的壓力脈動(dòng)幅值更小，其余頻段無(wú)波動(dòng)。

圖3 不同粒徑下葉片壓力面監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖

隨顆粒粒徑的增加，X1點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)最大值幅值減小，小粒徑工況下的壓力脈動(dòng)激增現(xiàn)象明顯減弱；X2點(diǎn)處在高頻區(qū)域內(nèi)的壓力脈動(dòng)幅值波動(dòng)現(xiàn)象大幅減??；X3點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)幅值隨顆粒粒徑的增加而減小，不同工況下的壓力脈動(dòng)規(guī)律呈現(xiàn)出相似性；X4、X5點(diǎn)處，低頻區(qū)間內(nèi)壓力脈動(dòng)幅值進(jìn)一步減小。

3.1.2 定濃度變粒徑條件下的葉輪吸力面壓力脈動(dòng)特性

當(dāng)φ=1.0%，不同粒徑時(shí)，隔舌附近葉片吸力面的壓力脈動(dòng)頻域如圖4所示。

圖4 不同粒徑下葉片吸力面監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖

由圖4可知：葉片吸力面上的壓力脈動(dòng)強(qiáng)度明顯高于葉片壓力面，Y1點(diǎn)位于葉片尾部，該處幅值波動(dòng)較大，波動(dòng)劇烈的范圍擴(kuò)大到2倍葉頻；Y2點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值相比Y1有大幅下降，高頻區(qū)幾乎無(wú)壓力脈動(dòng)幅值變化；Y3點(diǎn)的幅值全頻段大幅提升，Y4、Y5點(diǎn)的壓力脈動(dòng)隨顆粒粒徑的不同有不同的變化趨勢(shì)。

隨顆粒粒徑的增加，Y1點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值在0.40 mm和0.50 mm工況下最大；Y2點(diǎn)的壓力脈動(dòng)較大幅值主要出現(xiàn)在低頻區(qū)間，且隨粒徑的增加而減小;Y3點(diǎn)除0.10 mm工況下的幅值激增外，低頻段的壓力脈動(dòng)幅值相比Y2點(diǎn)有小幅增加;Y4點(diǎn)幅值激增的現(xiàn)象出現(xiàn)在了0.10 mm、0.20 mm、0.30 mm工況下，并在0.30 mm工況下達(dá)到最大值;Y5點(diǎn)的壓力脈動(dòng)最大值出現(xiàn)在0.10 mm工況，其余工況的壓力脈動(dòng)幅值隨顆粒粒徑的增加而減小。

3.1.3 定濃度變粒徑條件下隔舌壓力脈動(dòng)特性

當(dāng)φ=1.0%，不同粒徑時(shí)，隔舌處的壓力脈動(dòng)頻域如圖5所示。

圖5 不同粒徑下隔舌監(jiān)測(cè)點(diǎn)(P0)壓力脈動(dòng)頻域圖

由圖5可知：隔舌處的壓力脈動(dòng)主要在葉頻及其倍頻處出現(xiàn)，說(shuō)明葉片通過(guò)頻率是導(dǎo)致隔舌處壓力脈動(dòng)的主要原因。顆粒粒徑不同時(shí)，壓力脈動(dòng)最大值均出現(xiàn)在1倍葉頻處，低頻區(qū)間的壓力脈動(dòng)幅值變化頻繁。隨顆粒粒徑的增加，低頻區(qū)間的壓力脈動(dòng)幅值整體呈下降趨勢(shì)。

3.1.4 定粒徑變濃度條件下的葉輪壓力面壓力脈動(dòng)特性

當(dāng)d=0.5 mm，不同濃度時(shí)，隔舌附近葉片壓力面的壓力脈動(dòng)頻域如圖6所示。

由圖6可知：葉片壓力面上，X1點(diǎn)處壓力脈動(dòng)整體比較強(qiáng)烈，全頻段均出現(xiàn)壓力脈動(dòng)；X2點(diǎn)處高頻區(qū)間的壓力脈動(dòng)大幅減少，壓力脈動(dòng)最大值相比X1點(diǎn)有所下降；X3點(diǎn)的壓力脈動(dòng)最大值相比X2有所上升；X4點(diǎn)的壓力脈動(dòng)又有下降；X5點(diǎn)的壓力脈動(dòng)在不同工況下表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)；隨顆粒濃度的增加，各點(diǎn)的壓力脈動(dòng)最大值均逐漸增加。

圖6 不同濃度下葉片壓力面監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖

3.1.5 定粒徑變濃度條件下的葉輪吸力面壓力脈動(dòng)特性

當(dāng)d=0.5 mm，不同濃度時(shí)，隔舌附近葉片吸力面的壓力脈動(dòng)頻域如圖7所示。

由圖7可知：葉片吸力面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)Y1點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)呈現(xiàn)很強(qiáng)的非周期性，以低頻區(qū)間的壓力脈動(dòng)幅值變化最為頻繁；Y2點(diǎn)處高頻區(qū)間的壓力脈動(dòng)消失了；Y3、Y4點(diǎn)處壓力脈動(dòng)的整體分布規(guī)律與Y2相似；Y5點(diǎn)處，部分工況在低頻區(qū)間的頻譜加寬。

圖7 不同濃度下葉片吸力面監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖

隨顆粒濃度的增加，Y1點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)最大值總體呈逐漸下降的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在φ=2.0%工況下；Y2、Y3、Y4點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)最大值不斷上升；Y5點(diǎn)處，當(dāng)φ=1.0%、φ=2.0%時(shí)，壓力脈動(dòng)展現(xiàn)出低頻區(qū)間壓力脈動(dòng)頻譜加寬的現(xiàn)象。

3.1.6 定粒徑變濃度條件下的隔舌壓力脈動(dòng)特性

當(dāng)d=0.5 mm時(shí)，不同濃度時(shí)，隔舌處的壓力脈動(dòng)頻域如圖8所示。

圖8 不同濃度下隔舌監(jiān)測(cè)點(diǎn)(P0)壓力脈動(dòng)頻域圖

由圖8可知：壓力脈動(dòng)仍出現(xiàn)在葉頻及其倍頻處，幅值最大值出現(xiàn)在1倍葉頻處，隨顆粒濃度的提升，低頻區(qū)間的壓力脈動(dòng)波動(dòng)頻域加寬，壓力脈動(dòng)最大值略有減小。

3.2 徑向力

低比轉(zhuǎn)速離心泵的蝸殼具有不對(duì)稱性，是導(dǎo)致離心泵產(chǎn)生徑向力的主要原因。對(duì)于低比轉(zhuǎn)速離心泵而言，徑向力不僅會(huì)使密封環(huán)和軸套快速磨損，還對(duì)旋轉(zhuǎn)軸有很大影響。通過(guò)研究離心泵徑向力的情況，可以為實(shí)際工程中的徑向力平衡設(shè)計(jì)提供一定的參考，從而減緩旋轉(zhuǎn)軸的疲勞破壞進(jìn)程。

3.2.1 顆粒粒徑對(duì)離心泵徑向力的影響

當(dāng)φ=1.0%，不同粒徑時(shí)，離心泵葉輪和蝸殼的徑向力如圖9所示。

圖9 不同粒徑下的離心泵徑向力

由圖9可知：隨顆粒粒徑的增大，葉輪徑向力總體下降，蝸殼徑向力總體上升。兩種徑向力中，蝸殼徑向力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于葉輪徑向力，可見不對(duì)稱的蝸殼結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致徑向力產(chǎn)生的主要原因。

蝸殼所受的徑向力隨粒徑的增加而不斷增大，整體分布比較均勻。蝸殼徑向力以十字花形式同心分布，對(duì)應(yīng)每個(gè)葉片方向的徑向力分布基本一致。

3.2.2 顆粒濃度對(duì)離心泵徑向力的影響

當(dāng)d=0.5 mm，不同濃度時(shí)，離心泵葉輪和蝸殼的徑向力如圖10所示。

圖10 不同濃度下的離心泵徑向力

由圖10可知：蝸殼徑向力值仍為葉輪、蝸殼中的最大值。隨顆粒濃度的提升，葉輪徑向力也不斷增加，但在φ=4.5%、φ=5.0%工況下，葉輪徑向力中心方向明顯向逆時(shí)針方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。隨顆粒濃度的提升，蝸殼徑向力不斷減小，且變化較為均勻。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)低比轉(zhuǎn)速離心泵流場(chǎng)進(jìn)行了固液兩相非定常數(shù)值模擬研究，分析了不同顆粒粒徑、顆粒濃度對(duì)隔舌附近區(qū)域壓力脈動(dòng)特性的影響。

研究結(jié)果表明：

(1)離心泵隔舌處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)主要出現(xiàn)在葉頻及其倍頻處，且1倍葉頻處出現(xiàn)了壓力脈動(dòng)幅值的峰值；

(2)葉片監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)主要出現(xiàn)在小頻率區(qū)間內(nèi)，且葉片頭處的壓力脈動(dòng)幅值最??；

(3)當(dāng)φ=1.0%時(shí)，離心泵葉輪徑向力隨顆粒粒徑的增加不斷減小，蝸殼和隔舌所受的徑向力隨顆粒粒徑的增加而不斷增加；當(dāng)d=0.5 mm時(shí)，隨顆粒濃度和離心泵流量的增加，葉輪所受徑向力不斷增加，蝸殼、隔舌所受徑向力則逐漸減小。因此，適當(dāng)減小離心泵內(nèi)的顆粒粒徑，增大顆粒濃度及離心泵流量，可以穩(wěn)定隔舌處的壓力脈動(dòng)，但會(huì)在一定程度上增大葉輪所受徑向力。

在后續(xù)的工作中，筆者還將對(duì)更多影響隔舌處壓力脈動(dòng)的因素進(jìn)行研究，以及對(duì)不同低比轉(zhuǎn)速離心泵隔舌處的壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行研究。