黄河提灌泵内部流动特性研究

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黄河提灌泵内部流动特性研究

摘要：黄河提灌泵在运用到黄河水提灌时工作介质在变化，非汛期工作介质主要为清水，其磨损主要为汽蚀，汛期工作介质为含沙水，其磨损为汽蚀和固体颗粒的冲击。研究泵离心泵泵内部固液两相流流场中固体颗粒的运动规律和固液磨损规律，对研究离心泵在不同工作介质下的性能变化，运行工况选择从而有效降低部件磨损具有重要意义。

关键词：两相流 离心泵 CFD  

1.研究的意义

泵作为一种提供流体能源的通用机械，广泛应用于水利、农业、医药、航天、国防等各个领域。在农田排灌和农牧业供水中，离心泵的应用最为广泛，它是利用离心力的作用增加水体压力并使之流动的一种泵[1]。离心泵内部流道结构复杂，流体通过旋转区域时流动属于三维、非定常极其非常复杂的流动形式。在黄河提灌泵中，由于输送介质中含有固体颗粒，其内部流场较清水泵存有许多的差异，泵的能源损耗较大。流体力学领域的研究分析，传统的有理论分析和实验研究两种手段，随着计算机技术的高速发展，近年来利用流体计算动力学（CFD）分析离心泵内的流体流动，效果和实验数据很接近，同时也缩短了设计时间、费用低、弥补了传统设计方法的不足等优点，越来越受到学者们的青睐[2]。

由于黄河中含有不同颗粒大小的沙粒，其中主要集中为小颗粒的长英石。黄河含沙水中沙粒的中值粒径为0.029-0.033 mm ,8月较细, 为0.017 mm。汛期与非汛期的沙含量有很大差异，在非汛期含沙粒径集中在0.02-0.039mm，浓度较小一般在10%以下，而在汛期由于河槽冲刷，小颗粒泥沙明显增多，沙粒粒径为0.006-0.05mm，浓度为13.7%-37%[3]。从三门峡水库流出的泥沙统计数据表明,汛期粗颗粒泥沙明显少于细颗粒泥沙,而在非汛期恰恰相反。非汛期黄河下游河道处于冲刷状况, 从河槽里冲刷的物质大多为大于0.025mm的粗粒物质[4]。含沙水对泵体的磨损及其性能影响较大,黄河含沙水对泵过流表面的破坏极其严重, 影响了泵站的安全和经济运行。

黄河提灌泵在运用到黄河水提灌时工作介质在变化，在非汛期工作介质主要为清水（含沙量较少的水），其磨损主要集中在汽蚀，而在汛期工作介质为含沙水（含沙量较大），这时对泵过流部件的磨损严重，主要原因为汽蚀和固体颗粒的冲击。在汛期含沙水使泵的扬程、效率降低，磨损加剧，使得泵在运行一段时间后就必须进行维护或更换，造成了巨大地浪费，也带来了巨大地经济损失。因此，研究离心泵内部固液两相流流动中固体颗粒的运动规律和磨损规律，对研究离心泵在不同工作介质下的性能变化，运行工况选择从而有效降低部件磨损具有重要意义。

2.国内外研究现状

2.1国内研究现状

离心式固液两相流泵的研究主要包含三部分内容，外特性研究、内部流动规律研究和磨损特性研究。

李沈坚和李春[5]对离心泵叶轮内流场进行了数值模拟和分析，采用CFD商用软件对离心泵叶轮进行了定常的数值模拟，研究指出在离心泵叶轮流道处初始时出现回流和二次流的分布规律，同时指出产生此现象的主要原因是叶轮进口处太窄，可以通过增大叶轮进口安放角来改善，同时指出叶片弯曲弧度不宜过大，否则会引起流体在该处堆积堵塞的现象。

李仁年[6]则分析了不同叶轮时含沙水流对性能的影响规律，探讨了叶轮主要参数的确定及设计方法。陈涟等通过理论分析和实验研究探讨了固体颗粒的浓度、比重、粒径分布及粘性对清水泵性能的影响[7]。范恒灵等对离心泵内流场进行了三维数值模拟及流动分析，分析因泵体的非对称结构以及叶轮、蜗壳间较小间隙导致的内流场非对称性。对离心泵蜗壳进行了优化设计，揭示了泵内流道的压力及速度分布规律[8]。

赵万勇[9]理论分析了含沙水流对离心泵叶轮的磨损原因和主要影响因素, 采用了改进叶轮设计参数和低碳钢板成型叶片组焊叶轮等一些防磨减磨措施, 经实际运行可成倍延长叶轮使用寿命, 提高泵平均运行效率。赵万勇、王振 等[10]用含沙水为工作介质，通过改变沙粒粒径、浓度的方法，对小颗粒沙粒在离心泵污水泵内的流动进行模拟得出压力沿叶轮吸力面和压力面的分布规律以及固体颗粒沿叶片吸力面和压力面的分布规律。刘娟[11]等进行了离心泵内固体颗粒运动规律与磨损的数值模拟，结果表明离散相颗粒的性质及叶轮运行转速对颗粒运动轨迹及壁面的碰撞过程有重要影响，大质量颗粒想叶片工作面偏转较大，而小颗粒易与叶片工作面后端发生撞击，所以叶片头部与叶片过流面后端磨损最为严重。杨建国[12]等提出了在叶轮进口增设导轮来减轻固液两相流对离心泵叶片的磨损，并通过实验研究初步验证了其可行性。陈红生[13]研究了固液两相流离心泵磨损机理，指出离心泵内叶轮出口附近的射流-尾流是离心泵内的局部磨损的主要原因。

2.2国外研究现状

M.C.Roco[14]则在封闭式的泵系统内进行磨损试验，采用表面涂层法测定泵室内的磨损，他将磨损的成因归结为固体颗粒的直接冲击、紊动冲击和通过边壁的滑动摩擦。B. 卡列林[15]则论述了离心式渣浆泵的磨损机理、类型、实例和预防磨损的措施，同时还分析了泥沙粒径尺寸变化对叶轮和渣浆泵叶片进出口的磨损情况。日本的YoshiroIwai[16] 等人在不同实验条件下，对13种不同材料的衬套进行了耐磨蚀特性研究，讨论了不同冲角和颗粒尺寸条件下材料的磨蚀特性，并给出了计算磨蚀损失的经验公式。Graig I.Walker[17] 等通过实验对不同型式的衬套对固液两相流泵磨损的影响进行了研究，并给出了主要参数的经验磨蚀公式。

Li Yi[18]等对离心泵进行了三维数值模拟研究，研究固相体积分数小于2.5﹪，颗粒粒径由0.1～1mm时离心泵内的流动情况，同时研究其磨损特性。得出磨损的中心主要集中在剪切应力集中的位置及隔舌和蜗壳内。同时提出可以通过减小叶片出口角，修改叶片型线来优化磨损特性。

B.K [19-20]苏波隆运用高速摄影技术研究固体颗粒在叶轮内部运动规律时得出成果，叶道内固体颗粒运动轨迹特点:小颗粒(1～2mm)大致沿叶片工作面运动，大颗粒（8～10mm）背离工作面，同时叶轮直径等于310mm，大颗粒出口角30°～50°，而小颗粒出口角为10°左右，小颗粒分布均匀而大颗粒集中在泵壳内壁。

Raul和Jorge Parrondo[21]对离心泵隔舌部分进行了非稳态的数值模拟，研究隔舌区域流体的分布规律和速度分布。研究指出隔舌部位的磨损主要由于射流-尾迹和二次流引起。流体在高速旋转之后进入蜗壳在隔舌处形成较大漩涡和回流现象，从而导致泵效率降低。

Visser F C[22]和Liu C H[23]通过LDV分别对离心泵内部流场和流动特征进行了研究，得出了很重要的流动规律。Fishcer和Thomal[24]等科学家用传统的流场显示技术研究了离心泵内部流动，得出叶片内压力脉动和速度分布的规律,同时采用数值模拟的方法研究了叶轮和蜗壳的交互作用，分析了压水室内的流场，并且基于滑移网格和RNG湍流模型计算了双流道泵内的非定常流动，并采用粒子图像测速（particle  image  velocimetry简称PIV）技术测量了内部流场，得到了压水室内的流动规律。

3.结束语

现有相关文献和资料对离心泵固液两相流的研究主要集中在浓度或重度单方面的课题上，在改变安放角的前提下同时改变颗粒的粒径、浓度和重度的方面研究较少。今后可以加大对该方面的研究，这对以后固液式离心泵的设计和研究具有一定的价值。

参考文献

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[7]陈 涟，黄建德.含砂水对清水离心泵性能影响.机电设备.1997(1).

[8]范恒灵，王幼民等.离心泵内流场的三维数值模拟及流动分析.[R]机械工程师.2007(1).

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[11]刘 娟，许洪元，陆 力等.离心泵内固体颗粒运动规律与磨损的数值模拟.农业机械学报.2008(6).

[12]杨国来，李国成，蔡升等.用导轮减轻固液两相流对离心泵叶片的磨损研究.水泵技术.2000(5).

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学院：能源与动力工程学院

专业：动力工程领域      

姓名：李传振

学号：102430107002