多级离心泵固液两相流动特性及压力波动分析

　　通讯作者：王玉川

　　基金项目：陕西省水利科技项目(基金编号：2018slkj-8);国家自然科学基金项目(基金编号：51809218)。

　　摘要：以煤矿用某型号多级耐磨离心泵为研究对象，利用SST湍流模型和Euler-Euler非均匀多相流模型对其内部不同流量工况的固液两相非定常流动进行了数值模拟和计算结果的时频分析。结果表明，随着流量的增加，叶轮内发生流动分离的位置和低固体颗粒体积分数区域由吸力面向压力面转移，正导叶流道内出现较大范围的漩涡结构，反导叶内的旋涡范围和湍流动能均逐渐增大;漩涡区域的固体颗粒受离心力作用出现滑移，中心区域固体体积分数较周围区域低。叶轮和正导叶的动静干涉作用下，各级叶轮流道内、叶轮出口压力面附近的压力波动主频主要为导叶叶频，正、反导叶流道内的压力波动主频为叶轮叶频。叶轮内流动的不稳定性导致叶轮流道出口中间位置和吸力面侧易出现叶轮叶频。

　　关键词：多级离心泵;固液两相流;非定常流动;压力波动

　　一、前言

　　多级离心泵的突出优点是高扬程，同时也存在流动更加复杂多变、不易于预测等弊端[1-3]。固相的掺入时常发生在泵的实际输送介质过程中，其改变了泵内原有的内部流动，容易引发振动、噪声、磨损等问题[4-8]。

　　常见的固液多相流数值计算模型主要包括Mixture和Particle两种，近几年Particle非均相流模型被越来越多的应用到流体机械的模拟中[9-13]。韩伟等[14]基于大涡模拟和Mixture多相流模型探究了颗粒的存在对离心泵内部压力脉动的影响，发现小流量工况时，颗粒增強了动静叶栅交界处的高频压力脉动，减弱了导叶内的高频压力脉动;大流量工况时，颗粒削弱了动静叶栅交界处的高频压力脉动，增强了导叶内的高频压力脉动;蜗壳内的压力脉动不受颗粒的影响。刘建瑞等[15]运用Simple算法和Mixture模型研究了流量对颗粒分布的影响，结果表明，流量的变化改变了颗粒进入叶轮流道的角度，较大流量工况时，颗粒的运动轨迹更加明显。廖娇等[16]采用Particle模型对离心泵全流道进行了数值模拟，发现流量较小时，固液两相流时的泵扬程大于清水工况，当流量超过40 m3/s时，清水下的扬程高于固液两相流工况，固体颗粒的掺入降低了离心泵的效率。曹卫东等[17]以某型两级离心泵为模型分析了其内部非定常压力分布特性，表明叶轮出口处的压力脉动主频率与叶轮叶片数、正导叶数均有关，叶片与导叶的动静干涉作用是影响压力和扭矩波动的主要因素。马新华等[18]在设计工况下对多级离心泵两级流场进行了非定常数值模拟，发现叶轮与导叶间的动静干涉是产生压力波动的原因，且正导叶内的压力脉动受到整体式冲压叶轮形状的影响，导叶内脉动主频表现为叶轮叶频压力脉动。

　　本文基于Particle非均匀多相流模型和SST湍流模型，数值模拟了煤矿用某型多级离心泵内的非定常固液两相流动，分析了不同流量工况下的内流特性和压力波动规律。

　　二、计算方法

　　(一)计算模型

　　研究采用的多级(3级)离心泵基本参数如下：设计流量Qopt=280 m3/h，单级扬程H=42.5 m，转速n=1480 r/min，比转速为89，叶轮叶片数Z1=7，正导叶叶片数Z2=8，反导叶叶片数Z3=8。首级叶轮进口直径为180 mm，次级和末级叶轮进口直径为156 mm，叶轮外径均为360 mm。

　　流体计算域主要包括进水段及其延长段、首级叶轮、首级导叶、次级叶轮、次级导叶、末级叶轮、末级导叶、出水段及其延长段，如图1所示(省略进出口延长段)。考虑到进口和出口可能产生回流，适当延长进水段和出水段(4倍管径)。

　　(二)网格划分

　　多级离心泵结构复杂，尺寸跨度较大，因此流体域采用适应性较好的四面体非结构化网格。划分5套不同疏密程度的网格，分析其网格无关性，如表1所示，可见随着网格数的逐渐增加，数值计算扬程H的最大变化范围为1%，基本保持稳定。综合考虑计算精度和时间，选取第一套网格作为计算网格。

　　(三)数值计算方法和边界条件

　　湍流模拟采用SST模型，此模型考虑了湍流剪切应力的传输，预测流动的开始和负压力梯度条件下流体的分离量具有较高的精度。固液两相流动选取欧拉-欧拉非均匀多相流模型，考虑了每一相独立的速度场和其他相关场的情况，压力场由两相共享，两相间通过相间转移项相互作用。相间传递设置为Particle Model子模型。

　　结构尺寸跨度较大，故数值计算选用双精度模式。液体设置为连续相，固体颗粒设置为离散相，为粒径0.1 mm的单一材质(沙子)均匀球体。假定进口处液体与固体颗粒均匀分布，液相体积分数为90%，固相体积分数为10%。边界条件设置为速度进口、静压出口，壁面是无滑移边界条件。首先对泵内流场开展单相和多相的定常计算。将定常计算的结果作为初始值，分别进行0.8Qopt、1.0Qopt、1.6Qopt流量工况的非定常固液两相流动计算。计算总时长设置为0.81081s，即叶轮转动20周，时间步长设置为0.00045 s，即每一个时间步长叶轮转动4°。

　　监测点的位置如图2所示。首级叶轮沿进口到出口方向设置监测点D1、D2，叶轮出口圆周方向沿压力面到吸力面设置监测点D3、D4、D5，首级正导叶内沿流动方向设置监测点D6、D7、D8，反导叶内设置监测点D9、D10。次级、末级流道监测点设置与首级类似。出水段设置监测点D29。

　　依据单级离心泵定常计算结果和多级离心泵非定常计算结果绘制扬程性能曲线，如图3所示。发现单级离心泵清水介质的数值计算性能曲线和实验变化趋势一致，两者的最大误差在5%左右，说明了数值计算模拟泵内主要流动特征的可靠性。多级离心泵输送清水和固液两相介质时的性能曲线在大流量工况和小流量工况相交，而在最优工况附近时，多级离心泵输送固液两相流体的扬程大于清水介质。

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文章名称： 多级离心泵固液两相流动特性及压力波动分析

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