固液两相流泵的研究综述

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固液两相流泵的研究综述

摘要 分别从流体性质、叶轮几何参数、内部流动特性和叶轮磨损等方面对固液两相流泵的研究现状做了综述。归纳了目前关于固液两相流泵的各种研究方法，概括了目前尚未解决好的一些问题，并对今后的研究方向进行了总结。

关键词 固液两相流泵 设计方法

    固液两相流泵顾名思义指用于输送固液两相流介质的泵，如输送含沙水、纸浆、灰渣等。按其主要特性大体上可分为三类，即抗磨蚀泵、无堵塞泵以及既抗磨蚀又要求无堵塞的泵。它广泛应用于水利工程中疏浚作业，金属工业中的尾矿、精矿和重介选煤等以及水煤浆运输等。由于其在国民生产中的广泛用途，两相流泵的市场需求量大，前景甚广。但是由于固液两相流泵抽送介质属性的差异，两相流流动问题的复杂性和特殊性，以及磨损机理、噪音、寿命等问题使得对固液两相流泵的研究日益重要。本文将主要通过如下几个方面介绍目前对固液两相流泵的研究进展。

一、 研究现状

1.流体性质对固液两相流泵性能的影响

影响固液两相流泵性能的流体性质主要有浆体的密度、黏度和浓度等。流体粘性的影响比较明显。当粘度增加时，泵扬程流量特性曲线下降，最佳工况点扬程和流量均随之下降；而功率则上升，因而效率下降。粘性对泵性能的影响极其复杂，单纯从理论分析相当困难，故通常采用试验方法进行研究。介质浓度对泵的扬程等各方面性能都会产生影响。随着介质浓度的增加,泵的理论扬程降低。为达到所需扬程,轴功率就会增加，泵的最高效率点向着小流量区偏移

2.过流部件几何参数的影响

过流部件主要几何参数有叶轮外径、叶片宽度、叶片数、叶片安放角和隔舌间隙等。国内许多学者对其做的研究得出的结论是：在固液两相流泵的设计若偏离了最佳出口宽度则会引起泵的关心点扬程最高效率下降,同时也引起高效点向大流量区偏移；兼顾泵轮磨损和水力性能应选择较小的叶片出口安放角;加大包角, 将减轻叶片的磨损; 隔舌间隙很小时,泵的效率会急剧上升,但并未发生强烈的压力脉动;增大隔舌面积, 最高效率点随之向大流量方向偏移; 对低比转数泵,大隔舌面积可提高泵的效率,即加大流量设计法。

3.内部流动研究

了解引起固液两相流泵外特性变化的内部流动机理对研究浆体对外特性有重要作用，内部流动的研究主要包括两相流流速场、液相压力分布、颗粒碰撞机理及运动轨迹等研究。国外对固液两相流泵内部流动的研究多采用先进的测试技术、有限元分析方法等手段，国内对固液两相流泵内部流动的研究目前主要集中在颗粒运动规律、两相流流场分析及实验研究上，许洪元等利用粒子成像测速技术对离心泵流道中固体颗粒速度场进行了研究，实验结果表明固体颗粒的密度影响其在叶轮中的相对运动轨迹，而其粒径和形状则主要影响其运动速度大小。

4.叶轮磨损的研究

固液两相流泵因其工作介质的缘故，固体颗粒对泵的性能有很大的影响。叶轮是磨损最严重的零件，又以在叶轮出口处的磨损为甚。磨损导致泵的材料损失，同时也使得泵的工作性能发生变化，其下降程度随着固体颗粒尺寸的逐步增大而增强。特别是泵叶片磨损，主要在于颗粒易造成叶轮内部流动的紊乱，造成了泵内各种损失增大，使其性能急剧下降，大大缩短了固液两相流泵的使用寿命。

并且由于固液两相流在水泵内部的流态比单相流更为复杂, 其能量转换过程发生了变化。通过反复试验得出:采用小叶片出口角少叶片数和大出口宽度的叶轮能减轻泵的磨损。

二、主要的研究方法的研究

1.流体力学通用的研究方法

  流体力学最常用的三种方法是:理论分析、实验方法和数值模拟。他们各有优劣，理论分析具有很好的普适性，可以指导实验和数值计算，但是对于复杂流动的解析解一般难以得出；实验直观可靠，但是会受到尺寸限制和流场扰动等的影响，且对于大型流体机械的研究投入大周期长；数值模拟计算速度快，花费少，但它是一种近似解法，往往会产生伪物理效应。故在具体的研究中把它们三者结合起来，从简单流动模型的理论分析再到实验观察比较和数值方法解决复杂流动问题。

2.固液两相流泵的常用水力设计方法

A．经验统计速度系数设计法

它是以国内外大量实践及资料为依据, 以清水泵的有关公式为基础,利用系数修正形成的, 这些系数反映了工作介质的影响。虽然此法在理论上欠完善,但实用性强, 因此得到了广泛应用。

B．两相畸变速度设计法

它把固体作为水流运动边界条件, 由于固体的影响, 使水流速度场发生某种畸变, 根据两相流水流的畸变速度场来设计泵的叶型和流道。

C.速度比设计法

从叶轮进口至出口, 在离心场的作用下, 固相速度由小于液相速度逐步变为大于液相速度, 在叶轮出口处当地浓度小于输送浓度; 为使液相尽量维持清水时的运动规律, 应扩大叶轮进口通道, 减小出口通道。由于考虑了固液速度比场的变化, 因而泵的效率较高、寿命较长。

D.两相流场分析设计法

设计者可通过CFD软件进行流场分析和性能预测, 来修改最初的设计, 直到满意。它缩短了产品研制周期并降低了成本,大大提高了设计准确度。

三、总结

1. 泵内部两相流场流动规律、性能研究及磨蚀机理等基础理论尚不完善。需在此基础上对两相流泵的设计制造和使用加以改进，以提高泵的性能和寿命。随着国内疏浚事业的大力发展，对固液两相流泵抽送高浓度泥浆的研究也成了一个重点，有待进行深入的研究。

2目前针对固液两相流实验研究的许多测试技术的精确性、可靠性有待进一步发展。

3.需进一步完善CFD技术的应用，优化水力设计方法，设计出性能优越的固液两相流泵。

                                流体机械及工程

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                            胡鹏林