李偉，潘云欣，李昊明，齊寒東，吳普，路德樂

(1. 江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 江蘇大學(xué)鎮(zhèn)江流體工程裝備技術(shù)研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

離心泵作為一種重要的流體輸運(yùn)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)中各產(chǎn)業(yè)部門，如石油工業(yè)、化工、食品工業(yè)及農(nóng)業(yè)灌溉等[1].由于流體介質(zhì)中含有固體雜質(zhì)顆粒，且設(shè)備持續(xù)運(yùn)行時(shí)間長，離心泵在輸運(yùn)漿料或含沙水等介質(zhì)時(shí)，普遍存在過流部件磨損情況.當(dāng)磨損發(fā)展到一定程度時(shí)，離心泵的使用性能將嚴(yán)重降低，運(yùn)行可靠性無法得到保證[2].

目前國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)離心泵固液兩相流動(dòng)從試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算兩方面進(jìn)行了大量深入的研究.但由于固液兩相流泵大多基于清水介質(zhì)進(jìn)行初始設(shè)計(jì)，至今對(duì)于固液兩相流這種特殊流動(dòng)工況，行業(yè)內(nèi)還未形成成熟的設(shè)計(jì)方法，導(dǎo)致泵效率低、壽命較短[3].基于此，文中將從固液兩相流動(dòng)特性和磨損問題2方面展開，綜述并分析離心泵內(nèi)固液兩相流動(dòng)特性及磨損機(jī)理的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展，展望未來離心泵固液兩相流動(dòng)研究趨勢和減少磨損的方法，以期為固液兩相流離心泵的設(shè)計(jì)和提高運(yùn)行可靠性提供一定的參考.

1 固液兩相流動(dòng)特性研究

1.1 研究方法

1.1.1 可視化試驗(yàn)

由于顆粒在離心泵中與流體相互作用，運(yùn)動(dòng)形式較為復(fù)雜，尤其是涉及顆粒在葉輪中的運(yùn)動(dòng)，利用試驗(yàn)手段直接獲取顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡成為研究離心泵內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)的主要方式.高速攝影作為一項(xiàng)成熟的技術(shù)，獲得了國內(nèi)外諸多學(xué)者的青睞.配合透明亞克力材料或者有機(jī)玻璃制成的離心泵葉輪、蝸殼以及前后蓋板等主要部件，結(jié)合計(jì)算機(jī)處理可以獲取不同物理參數(shù)顆粒在各個(gè)泵部件的運(yùn)動(dòng)軌跡.許洪元等[4]采用高速攝影獲取到了不同粒徑、不同密度顆粒在2種轉(zhuǎn)速條件下葉輪內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡.TAN等[5]用透明亞克力材料制造葉輪和蝸殼，借助高速攝影技術(shù)觀察到了大尺寸顆粒在雙流道離心泵中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如圖1所示.為便于觀察，葉輪前蓋板采用透光性較好的有機(jī)玻璃材料，魏進(jìn)家等[6]首次利用高速攝影獲得了離心泵閉式葉輪內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)情況.高速攝影技術(shù)一直沿用至今，在可視化試驗(yàn)領(lǐng)域獲得巨大成功.

圖1 泵內(nèi)顆粒分布

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，粒子圖像測速技術(shù)(particle image velocimetry，PIV)得到了迅速發(fā)展.目前，PIV技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全場無接觸的瞬時(shí)測量，具有較高的測量精度.但PIV拍攝系統(tǒng)的性能與流場算法和圖像處理方法有著密切關(guān)系，例如SHI等[7]在高轉(zhuǎn)速離心葉輪中進(jìn)行固液兩相流PIV拍攝時(shí)發(fā)現(xiàn)，因固相顆粒識(shí)別和流場算法的問題導(dǎo)致測量精度低，于是提出一種自適應(yīng)交叉相關(guān)窗變形算法與多級(jí)網(wǎng)格細(xì)分相結(jié)合的理論，并采用基于粒度和灰度數(shù)據(jù)的固液兩相識(shí)別處理方法，滿足了高速離心葉輪中固液兩相流PIV拍攝的精確度和可靠性要求.楊敏官等[8]采用PIV技術(shù)成功對(duì)葉輪中伴有鹽析的固液兩相流場進(jìn)行了測量，并系統(tǒng)介紹了圖像的處理方法，這表明現(xiàn)有技術(shù)能夠準(zhǔn)確分辨流場中固相顆粒和示蹤粒子.

除此之外，脈沖多普勒測速技術(shù)也被應(yīng)用在測量顆粒運(yùn)動(dòng)速度分布上，GARMAN等[9]在沿蝸殼螺旋段周向布置超聲波傳感器，獲取到蝸殼各截面上顆粒運(yùn)動(dòng)速度分布情況，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，吻合度較好.

1.1.2 數(shù)值計(jì)算模型

受限于目前試驗(yàn)技術(shù)水平，并不能依靠試驗(yàn)手段完全掌握離心泵內(nèi)固液兩相流動(dòng)特性.隨著計(jì)算機(jī)水平的不斷發(fā)展以及數(shù)值計(jì)算理論方法的日益成熟，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的分析方法越來越多地運(yùn)用在流體機(jī)械等領(lǐng)域的研究中.近十幾年來國內(nèi)外研究人員運(yùn)用CFD方法在涉及離心泵內(nèi)部固液兩相流動(dòng)特性等領(lǐng)域開展了大量研究分析工作.目前分析兩相流動(dòng)的數(shù)值理論方法主要有歐拉-歐拉方法(也稱雙流體模型)和歐拉-拉格朗日方法2種[10].歐拉-歐拉方法模擬固液兩相流時(shí)，將固相顆粒近似作擬流體處理，即作為連續(xù)相；而歐拉-拉格朗日方法則將固體顆粒作為離散相進(jìn)行處理，追蹤每個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡.由此，衍生出3種較為成功的多相流模型[11]：基于歐拉-歐拉方法的Mixture模型、基于歐拉-拉格朗日方法的離散相模型(DPM)、基于歐拉-拉格朗日方法的離散元模型(DEM).這3種多相流模型各有優(yōu)缺點(diǎn)：Mixture模型可用于模擬不同速度強(qiáng)耦合的多相流動(dòng)，但不適用于大顆粒稀相條件；DPM方法可以有效得到濃度較低情況下不均勻分布顆粒的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，適用于求解稀相顆粒運(yùn)動(dòng)問題，但它忽略了顆粒與顆粒之間的相互作用力和顆粒對(duì)流體的反作用力，因此不適用于顆粒體積大而多的情況；DEM方法是一種模擬顆粒群運(yùn)動(dòng)的方法，通過與CFD模擬耦合，可以建立一種更加準(zhǔn)確的數(shù)值模型來研究顆粒在泵內(nèi)的流動(dòng)和對(duì)水力部件的磨損，但它對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存和CPU的要求較高，因而更適合低濃度且物理模型較為簡單的情況.在不同研究背景下，顆粒相模型的選擇有所區(qū)別.

吳玉林等[12]受到大渦模擬中濾波函數(shù)的啟發(fā)，在多相雙流體模型基礎(chǔ)上建立了大渦模擬運(yùn)動(dòng)方程，并采用此方法模擬了離心泵葉輪內(nèi)顆粒相的分布情況并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.ROCO等[13]提出應(yīng)用于泥漿管道流動(dòng)模擬的動(dòng)能湍流模型，該模型能夠通過極小的兩相流分析將實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)放大到真實(shí)流動(dòng)情況.ABOU-ARAB等[14]在ROCO的基礎(chǔ)上提出了一種新的多相湍流閉合模型，采用特殊的雙時(shí)間平均法，在不采用任何調(diào)整經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的情況下，用其他模式和各種兩相流的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)所提出的模型，結(jié)果表明，液-固射流和氣-固管流的預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.SCHILLING等[15]利用歐拉-拉格朗日方法模擬了離心泵葉輪內(nèi)的顆粒(體積分?jǐn)?shù)5%，平均粒徑100 μm)運(yùn)動(dòng)軌跡并分析了葉輪葉片的磨損量.LEI等[16]將固相顆粒視為離散相，運(yùn)用歐拉-拉格朗日方法分析了在葉片受到不同程度磨損的情況下，離心泵的外特性變化和磨損位置改變情況.TARODIYA等[17]對(duì)輸送泥沙水的離心式渣漿泵顆粒相分別采用Mixture模型和Eulerian-Eulerian模型進(jìn)行描述，通過將模擬值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用Eulerian-Eulerian模型計(jì)算得出的揚(yáng)程和效率值精確度更高.

近年來，隨著離散元方法(DEM)的成熟，越來越多的研究者開始采用CFD-DEM耦合計(jì)算方法研究泵內(nèi)部的固液兩相流動(dòng).李亞林[18]利用CFD-DEM方法分析了脫硫泵內(nèi)部固相流動(dòng)情況.章和兵[19]對(duì)簡化過后的顆粒在離心泵葉輪流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)碰撞進(jìn)行了離散元分析，并探究了磨損機(jī)理.

除此之外，部分學(xué)者采用其他方法，如閻超等[20]對(duì)固相采用代數(shù)顆粒流(AP)模型模擬了離心葉輪內(nèi)固液兩相流場，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合.魏進(jìn)家等[21]為模擬離心泵葉輪內(nèi)的固液兩相流動(dòng)建立了KET模型以封閉密相固液兩相流湍流方程組，并結(jié)合了有關(guān)固相濃度的DIPSAR算法，其模擬計(jì)算結(jié)果與高速攝影試驗(yàn)的結(jié)果相符合.

目前多相流介質(zhì)模擬主要用于定性分析，判別多相流場的發(fā)展趨勢，局部細(xì)節(jié)的模擬略顯不足，相關(guān)計(jì)算參數(shù)需在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐下不斷修正以提高模擬結(jié)果的可靠性.

1.2 外特性研究

GANDHI等[22]在2臺(tái)不同尺寸的離心泵上，通過試驗(yàn)研究了3種不同粒徑分布的顆粒對(duì)泵揚(yáng)程、效率及功率特性的影響.研究發(fā)現(xiàn)，揚(yáng)程比率和效率比率不僅受到顆粒體積分?jǐn)?shù)的影響，同時(shí)還受顆粒粒徑分布特性的影響，隨著泵尺寸的增大，顆粒造成的能量損失影響將減小.SELLGREN等[23]對(duì)一臺(tái)安裝有4葉片導(dǎo)葉的離心泵進(jìn)行了含沙水的兩相流性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著流速的降低，泵的固體效應(yīng)增加，即泵的揚(yáng)程和效率較清水工況有明顯的下降，這與WILSON等[24]的研究結(jié)果趨勢上相吻合.CHENG等[25]采用歐拉多相流模型模擬了不同葉片數(shù)、不同顆粒直徑及不同固相體積分?jǐn)?shù)對(duì)熔鹽泵流動(dòng)性能的影響.研究發(fā)現(xiàn)，隨著顆粒直徑的增大，泵的揚(yáng)程和效率隨著顆粒統(tǒng)計(jì)分?jǐn)?shù)的增加而急劇下降.在特定顆粒直徑的情況下，泵兩相流的揚(yáng)程和效率甚至高于清水工況.李偉等[26]基于全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)固液兩相流條件下堿液循環(huán)泵的外特性進(jìn)行定量數(shù)值預(yù)測.KUMAR等[27]對(duì)比了在有無細(xì)煤灰顆粒摻混情況下離心泵輸送底灰渣時(shí)的性能特性，發(fā)現(xiàn)在摻混細(xì)煤灰顆粒時(shí)，泵因輸送兩相介質(zhì)引起的額外揚(yáng)程損失減少了，表明細(xì)顆粒的加入減少了混合相的相對(duì)黏度.

通過大量試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)，盡管各個(gè)研究案例中涉及的固相顆粒參數(shù)及泵運(yùn)行工況有所不同，但結(jié)果顯示固相介質(zhì)的存在將普遍導(dǎo)致離心泵揚(yáng)程及效率不同幅度的降低.

1.3 顆粒運(yùn)動(dòng)及分布特性

離心泵是一種常見的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，葉輪和蝸殼的動(dòng)靜干涉作用強(qiáng)烈，在涉及固液兩相流動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部流動(dòng)的復(fù)雜性進(jìn)一步加劇.固體顆粒在離心泵內(nèi)的運(yùn)動(dòng)及分布，一直是國內(nèi)外研究離心泵固液兩相流動(dòng)的學(xué)者所關(guān)注的重要研究方向之一.

1.3.1 不同顆粒體積分?jǐn)?shù)的運(yùn)動(dòng)分布

SHI等[28]在顆粒相體積分?jǐn)?shù)為10%，20%和30%這3種不同工況下，研究了低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵的固液兩相流動(dòng)，將模擬得出的流動(dòng)特性與清水工況進(jìn)行了對(duì)比分析，獲得了泵內(nèi)顆粒相的分布，如圖2所示，圖中p為壓力.KADAMBI等[29]采用玻璃微珠作為固相顆粒，在體積分?jǐn)?shù)為2.5%和5.0%條件下，分別對(duì)725 r/min和1 000 r/min這2種轉(zhuǎn)速下離心泵隔舌位置處的固液兩相流場進(jìn)行了PIV拍攝，獲取到了兩相流場的速度分布云圖以及動(dòng)能的脈動(dòng)云圖.研究表明，隨著轉(zhuǎn)速增加，兩相流場的脈動(dòng)動(dòng)能顯著增加，葉片壓力面、隔舌及蝸殼壁面受到顆粒的定向沖擊更為顯著，且隔舌下半部分比上半部分更容易遭受磨損，由脈動(dòng)動(dòng)能引起的顆粒隨機(jī)碰撞是造成葉輪和蝸殼磨損的主要原因.曹衛(wèi)東等[30]采用雙流體模型，計(jì)算了固相體積分?jǐn)?shù)分別為0和20%、固液兩相密度比為1.468時(shí)，兩級(jí)離心泵內(nèi)部三維非穩(wěn)態(tài)固液兩相流動(dòng).結(jié)果表明，固相的加入會(huì)降低多級(jí)泵的出口壓力，且對(duì)于液相流場具有一定影響，流場中固體顆粒的分布與其所在流場區(qū)域有相應(yīng)關(guān)系.

圖2 壓力分布圖

1.3.2 不同顆粒粒徑的運(yùn)動(dòng)分布

LIU等[31]分析了煙氣脫硫系統(tǒng)中脫硫泵輸送石灰石漿液時(shí)的流動(dòng)特性，采用WEN-YU曳力模型考慮了固液兩相間的能量交換.研究發(fā)現(xiàn)，CaCO3顆粒主要集中分布在葉片壓力面，吸力面分布相對(duì)較少；顆粒體積分?jǐn)?shù)的改變對(duì)泵內(nèi)顆粒分布的影響作用較小，而粒徑對(duì)顆粒分布情況有較大影響；進(jìn)出口壓差隨著體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，隨著粒徑的增加而減小.如圖3所示，董文龍等[32]采用DPM方法模擬了離心泵輸送大粒徑顆粒的兩相流動(dòng)，研究考慮了大粒徑顆粒在流場運(yùn)動(dòng)的巴塞特效應(yīng)，得到了在小濃度情況下大尺寸顆粒在離心泵內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況及流場分布，研究表明，隨著粒徑dp的增大，顆粒在葉輪中運(yùn)動(dòng)的速度也越大，并逐步偏離葉片工作面運(yùn)動(dòng).

圖3 不同粒徑下粒子軌跡圖

1.3.3 葉片不同區(qū)域的顆粒運(yùn)動(dòng)分布

許多研究發(fā)現(xiàn)，大部分顆粒在離心葉輪中都有朝著葉片壓力面一側(cè)運(yùn)動(dòng)的趨勢，并且隨著顆粒質(zhì)量和密度的增加，這種趨勢將更加顯著.MEHTA等[33]對(duì)離心泵葉輪內(nèi)部的固液兩相流場進(jìn)行了PIV拍攝，除了流場的絕對(duì)速度分布外，還獲取到了兩相流場的相對(duì)速度分布圖，研究表明顆粒在葉片壓力面上滑動(dòng)，導(dǎo)致了葉片表面的摩擦磨損.在TARODIYA等[34]對(duì)離心式渣漿泵的研究中還發(fā)現(xiàn)，葉輪后蓋板、葉片壓力面以及蝸殼非吸入側(cè)壁面的固相體積分?jǐn)?shù)相比其他位置處高，葉輪各截面顆粒分布如圖4所示，圖中α為量綱為一的固相體積分?jǐn)?shù).

圖4 葉輪流道內(nèi)部各截面顆粒分布圖

2 磨損問題

2.1 磨損機(jī)制

離心泵在輸送泥沙水或是煤渣顆粒等兩相介質(zhì)時(shí)，固體顆粒會(huì)不斷沖擊泵內(nèi)各過流部件表面造成磨損，不同位置磨損的程度和機(jī)制各不相同，主要取決于顆粒與壁面碰撞時(shí)的沖擊角度和速度.目前，泵內(nèi)主要的幾種磨損作用機(jī)制可參考STACHOWIAK等[35]總結(jié)的4種模式，如圖5所示，包括滑移切削、表面脆性裂紋、表面塑性變形以及表面脆性破碎.

圖5 不同磨損機(jī)制示意圖

2.2 磨損預(yù)測模型

研究離心泵固液兩相流的磨損也是從試驗(yàn)研究開始的，AIMING等[36]對(duì)離心泵葉輪輸送固液兩相流時(shí)的磨損量進(jìn)行了試驗(yàn)研究，經(jīng)過3 000 h的磨損測試，得到了整個(gè)葉輪的重量損失、葉片厚度減小量.另外，為獲取葉輪磨損失效機(jī)制，對(duì)磨損區(qū)域進(jìn)行了掃描電鏡分析.KHALID等[37]設(shè)計(jì)了用于葉輪磨損測試的試驗(yàn)裝置，通過將葉輪在固液兩相介質(zhì)中的漿液中旋轉(zhuǎn)從而測試出葉輪的磨損情況.試驗(yàn)采集了經(jīng)磨損后的葉輪質(zhì)量損失、葉輪外徑、葉輪厚度、葉片高度的變化值.

受限于固液兩相流測試裝置的復(fù)雜程度，現(xiàn)有條件下測試精度還達(dá)不到要求，另外磨損測試將對(duì)測試件造成不可逆的破壞，相關(guān)試驗(yàn)的消耗成本很高，因此有關(guān)固液兩相流下離心泵磨損的相關(guān)試驗(yàn)研究相對(duì)較少.

隨著有關(guān)固液兩相流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算方法的不斷進(jìn)步，近年來國內(nèi)外學(xué)者普遍開始借助數(shù)值模擬手段來預(yù)測顆粒對(duì)泵內(nèi)壁面磨損情況，獲得不少研究成果.目前較為普遍采用的磨損預(yù)測模型主要有以下幾種：

1) Finnie模型

(1)

其中，

式中:E為磨損量量綱為一的參數(shù)；vp為固體顆粒撞擊速度；f(γ)為關(guān)于顆粒撞擊角度的量綱為一的函數(shù)；固相顆粒撞擊角度的單位為弧度，其值為顆粒與避免碰撞接觸時(shí)所成的角度；指數(shù)n由壁面材料性質(zhì)決定，對(duì)于常用的金屬材料其取值為2.3～2.5.

2) Oka模型

(2)

其中，

f(α)=(sinα)n1[1+Hv(1-sinα)]n2,

式中：ρw為目標(biāo)材料密度；Hv為目標(biāo)材料的維氏硬度；dp為固體顆粒粒徑；d′為參考粒徑；v′為固體顆粒撞擊速度的參照速度；up為粒子與壁面間的相對(duì)速度；k0，k1，k2,k3為材料的指定系數(shù).

3) Ahlert模型

(3)

其中，

式中：A為常數(shù)，對(duì)于碳鋼材料其取值為15.59×10-7；α0為參照角度，通常取值為15°；n=1.73；Fs為固相顆粒形狀因子，當(dāng)顆粒為球形時(shí)取值為0.2，類球形取值0.5，形狀尖銳時(shí)取值為1.0；HB為目標(biāo)材料的布氏硬度.

磨損計(jì)算需要追蹤每個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，所以目前主要利用離散相模型來進(jìn)行模擬計(jì)算.

2.3 顆粒參數(shù)對(duì)磨損的影響

2.3.1 粒徑對(duì)磨損的影響

ZHANG等[38]發(fā)現(xiàn)顆粒濃度、粒徑和密度對(duì)泵的水力性能有很大影響，隨著顆粒直徑或濃度的增加，泵揚(yáng)程和效率都會(huì)降低，葉片的吸入側(cè)比壓力側(cè)受到更嚴(yán)重的磨損.SHEN等[39]基于DPM模型和Mclaury磨損模型，采用三維定常全流場模擬分析了一臺(tái)用于抽黃河水灌溉的雙吸泵輸送含沙水時(shí)的磨損情況，研究了顆粒粒徑、體積分?jǐn)?shù)和顆粒形狀對(duì)磨損的影響，并剖析了不同區(qū)域磨損的作用機(jī)理.結(jié)果發(fā)現(xiàn)磨損率隨著粒徑的增大而增大，并與顆粒形狀因子呈正相關(guān).本課題組成員也對(duì)不同粒徑下的葉片磨損進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著粒徑dp的增大，壓力面與后蓋板交界處的磨損更為嚴(yán)重，如圖6所示.

圖6 不同顆粒粒徑下壓力面的磨損分布

2.3.2 顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)磨損的影響

汪家瓊等[40]運(yùn)用Particle和非均相模型模擬了顆粒體積分?jǐn)?shù)為1%時(shí)不同顆粒粒徑對(duì)離心泵磨損的影響.隨著粒徑的增大，顆粒不斷向葉片壓力面集中，葉輪內(nèi)主要磨損在葉片進(jìn)出口邊及葉片的中后部，蝸殼的磨損集中于螺旋起始段隔舌處附近.趙偉國等[41]基于DPM模型分析了離心泵輸送含沙水時(shí)沙粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)過流部件的磨損影響.研究表明，隨著沙粒體積分?jǐn)?shù)的增加，離心泵過流部件的磨損強(qiáng)度逐漸增大，且磨損部位主要集中在葉片進(jìn)口邊、葉片背面、葉片工作面靠近葉片出口的位置，沙粒運(yùn)動(dòng)軌跡逐漸趨于紊亂，離心泵的揚(yáng)程和效率逐漸降低.

2.3.3 其他因素對(duì)磨損的影響

除了固相參數(shù)，許多外部因素對(duì)泵的磨損狀況也有一定的影響.NOON等[42]對(duì)制堿工業(yè)中輸送石灰漿液的流程泵進(jìn)行了磨損分析，考慮了輸送兩相介質(zhì)溫度變化對(duì)磨損的影響，模擬結(jié)果顯示蝸殼的隔舌和腹部區(qū)域的磨損較為嚴(yán)重，隨著溫度的升高，磨損情況將進(jìn)一步加劇.GANDHI等[43]通過在蝸殼內(nèi)壁面嵌入磨損測試樣本，經(jīng)過2 h運(yùn)行后測試出了蝸殼不同位置處的磨損量.分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，泵運(yùn)行流量接近最高效率點(diǎn)時(shí)，蝸殼的磨損量小于小流量工況下的磨損量，即運(yùn)行在最高效率點(diǎn)時(shí)，泵的運(yùn)行壽命可能更長.TARODIYA[44]采用基于DPM模型的三維非定常流動(dòng)計(jì)算模擬了離心泵內(nèi)部的固液兩相流動(dòng)特性及磨損規(guī)律，在不同工況和固相參數(shù)條件下獲取了蝸殼不同位置的磨損量和顆粒分布，創(chuàng)新地定量分析了顆粒沖擊速度對(duì)蝸殼磨損率的影響，圖7顯示了蝸殼磨損試樣位置分布，蝸殼受到顆粒的沖擊速度如圖8所示.圖中WT為量綱為一的蝸殼寬度；θ為蝸殼角度；vp為顆粒沖擊速度.

圖7 磨損試樣位置分布

圖8 蝸殼壁面的顆粒沖擊速度

2.4 不同過流部件的磨損差異

固液兩相流動(dòng)介質(zhì)對(duì)離心泵不同過流部件造成的磨損情況顯然是不同的.目前，國內(nèi)外學(xué)者主要研究分析了離心泵固液兩相介質(zhì)時(shí)葉輪、蝸殼及前后蓋板的磨損情況.陶藝等[45]采用工程塑料制作了渣漿泵葉輪并進(jìn)行了快速磨損測試，研究表明，葉片進(jìn)口邊、靠近葉片壓力面的后蓋板內(nèi)側(cè)以及背葉片壓力面的外側(cè)磨損較為嚴(yán)重，并與模擬結(jié)果吻合較好.PAGALTHIVARTHI等[46]采用經(jīng)驗(yàn)確定的磨損系數(shù)計(jì)算磨損率，預(yù)測了蝸殼表面的磨損分布，發(fā)現(xiàn)蝸殼隔舌附近處的磨損率相對(duì)蝸殼其他區(qū)域較高，蝸殼同一斷面上不同位置的磨損率也變化很大.安一超等[47]在標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型基礎(chǔ)上結(jié)合離散相模型，分析了輕型化工渣漿泵前腔因固液兩相介質(zhì)存在產(chǎn)生的磨損，結(jié)果顯示蝸殼前腔的磨損從進(jìn)口到葉輪出口呈螺旋狀分布，與實(shí)際運(yùn)行后的磨損情況相吻合.賴芬等[48]基于拉格朗日追蹤顆粒軌跡的方法并利用E/CRC磨損模型預(yù)測分析了河流含沙水對(duì)離心泵壁面的磨損，發(fā)現(xiàn)最大磨損率出現(xiàn)在葉片及后蓋板區(qū)域.總體上，葉輪和蝸殼(尤其隔舌部位)是固液兩相介質(zhì)流動(dòng)條件下離心泵最容易磨損的過流部件.

3 總結(jié)與展望

總結(jié)歸納了近20年來，國內(nèi)外學(xué)者研究離心泵內(nèi)固液兩相流的相關(guān)成果，主要從固液兩相流動(dòng)特性和磨損問題2方面展開，深入剖析了離心泵內(nèi)固液兩相流的流動(dòng)特性的影響因素以及磨損作用機(jī)制與規(guī)律，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論，并對(duì)未來相關(guān)研究進(jìn)行了展望：

1) 大部分情況下，顆粒在離心葉輪內(nèi)有沿著并向葉片壓力面運(yùn)動(dòng)的趨勢，且與壓力面不斷碰撞或在其表面進(jìn)行滑移，顆粒密度、粒徑越大，這種現(xiàn)象越明顯；少部分情況則不符合上述規(guī)律，主要是由于不同案例中顆粒及流體的物理屬性有所不同造成的.

2) 由于顆粒物的摻混，流體從葉輪獲得的能量減少，一部分能量將用于顆粒物的輸運(yùn)以及顆粒-流體耦合作用導(dǎo)致的能量耗散，從而引起離心泵運(yùn)行性能的下降，主要反映在揚(yáng)程和效率的降低.然而在特定固相參數(shù)的組合下，顆粒的加入改善了流體的流動(dòng)，反而出現(xiàn)了性能相對(duì)提高的現(xiàn)象，這點(diǎn)值得研究者深入探究.

3) 泵內(nèi)的磨損情況主要受顆粒相的密度、粒徑、體積分?jǐn)?shù)以及泵的運(yùn)行流量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)影響，大量的文獻(xiàn)研究了這些參數(shù)對(duì)磨損的影響，但是受限于研究對(duì)象、研究背景不同，各個(gè)參數(shù)變化對(duì)磨損影響的大小并沒有得出一個(gè)相對(duì)統(tǒng)一的結(jié)論，后續(xù)研究可以從機(jī)理分析的角度，剖析離心泵內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)與磨損的普遍聯(lián)系，如顆粒沖擊速度和沖擊角度與磨損量的關(guān)聯(lián)性.

4) 目前離心泵內(nèi)固液兩相流動(dòng)的試驗(yàn)手段還相對(duì)單一，主要采用間接測量的方式，可視化試驗(yàn)只適用于一些葉輪結(jié)構(gòu)簡單的泵，大部分試驗(yàn)側(cè)重于定性分析，受制于試驗(yàn)手段等因素，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性還有待提高.未來迫切需要新的試驗(yàn)方式加入以滿足泵內(nèi)固液兩相流試驗(yàn)測量的更高要求.