離心泵內固液兩相流動及磨損率的模擬計算

作者：黃思，廣東省流體機械技術學會副理事長，華南理工大學機械與汽車工程學院教授，博士生導師

 

1 CFD-DEM耦合模擬計算

     對于泵內固液兩相流數值模擬，一般的做法是將固體顆粒相視為“擬流體”，采用多相流的CFD方法進行計算，難以體現固體顆粒形狀大小、碰撞、凝聚和分離等特性。本文以工程中常用的IS型離心泵作為研究對象，運用DEM離散元法結合CFD方法，采用EDEM-Fluent耦合，模擬計算離心泵內非穩態固液兩相流動，探索泵內固體顆粒群運動規律及其對外特性的影響。計算采用的固體顆粒密度為1500 kg/m3，泵入口固相體積率為15%，粒徑在《3.0 mm范圍內隨機變化。計算得到了固液兩相泵隨時間的外特性變化，包括泵揚程、泵內固體顆粒體積的變化規律；得到了泵內固體顆粒群的運動軌跡和固相體積率分布等有價值的結果。

 

 

 

圖1  計算模型及網格單元

 

（a）正視

（b）側視

 

圖2  泵內固相顆粒群運動軌跡

 

（a）液相

（b）固相

 

圖3  泵內固液兩相流速場對比（t=0.30s）   

 

    

 

圖4 蝸殼內顆粒體積率分布（t=0.35 s）

 

 

2 運用DPM方法進行水泵磨損計算

    離散相模型（DPM）結合半經驗磨損模型是固液兩相流中常用的磨損計算方法。需要指出的是，該磨損計算方法目前僅適用于稀疏、小顆粒的固液兩相流情形，因此本算例也限于該情形的討論。

    固相顆粒對機械設備材料的磨損量一般可表示為固相顆粒流量、顆粒的沖擊角度、顆粒的撞擊速度、顆粒粒徑、硬度和形狀等參數的函數。比較經典的計算模型有Finnie和Tabakoff的磨損模型。近年美國Tulsa大學磨蝕研究中心通過對碳鋼和鋁的大量磨損測試，得到了包括碰撞速度、碰撞角度、材料的布氏硬度以及顆粒的形狀等多參數的磨損模型。該模型是目前使用較為廣泛的磨損模型之一，本文也采用該模型進行水泵的磨損計算。

（a）正視

 

 

（b）側視

 

圖5 離心泵內磨損率分布（顆粒粒徑：0.20 mm，來流體積率：α=3%）