固液两相流泵的研究现状及展望

张敬斋+汪军+杨骏

摘要： 重点阐述了固液两相流泵的研究现状及其进展.在内部流动特性方面介绍了固体颗粒在叶轮内部的流动规律，研究了泵内部过流部件的磨损规律及抗磨措施；外部特性主要介绍了泵的几何参数对泵性能的影响.介绍了四种固液两相流泵的水力设计方法，并进行了分析，指出了四种设计方法对固液两相流理论发展的影响.从理论、试验研究和实际应用等方面分析了固液两相流泵性能优化的方向，并对固液相流泵的设计和应用作出了展望.

关键词：

固液两相流泵； 数值模拟； 设计方法

中图分类号： TH 311文献标志码： A

固液两相流泵广泛应用于疏浚、煤炭、矿山开矿、化工、电力、土建、冶金和环保等行业，它输送的对象多为水与固体颗粒混合形成的混合物[1-2].因其工作条件的特殊性，使得过流部件磨损严重，泵的整体寿命大大缩短，运行效率低，造成能源和设备大量浪费.这一问题引起了国内外学者的高度重视，相关理论和试验研究也取得了一定的成果.

70年代末国内研究人员开始了固液两相流泵设计理论和设计方法的研究，起步相对较晚[3].此后，基于两相流理论设计的泵开始逐步得到应用.许多学者运用了多种新方法和新技术对固液两相流泵进行试验研究，积累了大量经验和数据，为我国固液两相流泵的研究奠定了基础.

1固液两相流泵的研究现状

1.1固体颗粒对固液两相流泵运行的影响

离心泵在输送固液两相流时与输送单相流时相比，其运行性能发生了很大的改变.当所输送固体的质量浓度较大时，相同流量下，泵效率降低，扬程降低，功率增大，内部磨损更严重.

固液两相流对泵运行性能的影响主要有两方面：一方面，由于固体颗粒的存在使泵磨损严重，尤其是过流部件；另一方面，固液两相流泵内部流体的流态十分复杂，不同时刻颗粒的运动状态和受力状态变化因素增加，泵内部能量转换的有效性降低.

1.2固体颗粒在叶轮内的运动规律

固体颗粒的运动特性和泵的运行性能密切相关.通过了解固液两相流泵内部颗粒的运动轨迹和颗粒碰撞机理，可为提高固液两相流泵的性能和使用寿命开辟新的道路.

国外学者相对较早开始此项研究.20世纪60年代开始采用高速摄影和图像处理技术研究固体颗粒的运动规律，并取得了一系列具有代表性的研究成果.Itaya等利用高速摄像机对固体颗粒在泵内的运动轨迹拍照，固体颗粒为玻璃球，粒径分别为5.19、8.82、12.75 mm，叶片出口安装角分别为15°、25°、35°、45°.将理论计算值和实测值进行对比，结果基本一致，发现粒径大小对固体颗粒的运动轨迹几乎没有影响[4].苏波隆利用高速摄像机拍摄了砂砾在叶轮内的运动规律，结果表明：小颗粒（1～2 mm）沿着叶片工作面以10°左右的出口角离开叶轮；而大颗粒（8～10 mm）由于离心力作用背离叶片工作面以30°～35°的出口角离开叶轮[5].Zaya利用高速摄影技术得到直径d分别为7.4 mm的钢球和7.5 mm的铝球在泵内运动的速度实测值，研究结果表明：颗粒质量越小越朝背离叶片工作面方向运动；颗粒质量越大则沿着叶片工作面运动[6].国内方面，赵敬亭等通过理论计算并经实验检验发现：当颗粒密度大于某个临界值时，颗粒自进入叶轮流道到离开叶轮流道的过程中向叶片工作面靠近；当密度小于该临界值时，颗粒则向叶片背面靠近，并随着密度和粒径的减小这种趋势越明显[7].许洪元等利用高速摄像机拍照并进行数值计算，颗粒分别为豆类（d=4、6、8 mm）、玻璃球（d=4、6、8 mm）、钢球（d=6、12 mm）、石子（d=1～2 mm、5～6 mm），且在不同叶轮转速和不同叶片形状下进行实验，得到叶轮中固体颗粒运动轨迹.结果表明：质量大的粗颗粒与叶片头部相撞获得能量而偏离工作面运动；质量小的细颗粒不会集中撞击叶片头部而是沿着叶片工作面运动，但会在工作面出口处聚集，从而磨损叶片，造成叶片尾部快速磨损[8-9].戴江利用高速摄影和图像处理技术对固液两相流在离心泵内的流动规律进行了研究，得到叶轮内d=1～2 mm砂粒的浓度分布规律[10].吴玉林等对渣浆泵内固体颗粒的运动规律作了实验研究，同时对渣浆泵叶轮内的二维湍流流动进行了计算，并与实验作了对比[11-13].

综上所述，针对泵内固体颗粒的运动规律研究人员有三种不同的观点：① 颗粒质量越大，其运动轨迹越靠近叶片工作面；② 颗粒质量越大，其运动轨迹越偏离叶片工作面；③ 一定范围内颗粒质量对其运动轨迹影响不明显.三种结论完全不同，得出的观点甚至完全相反.国内大多数学者都赞同第一种观点，在此基础上形成了固液两相流泵理论，并在固液两相流泵的设计方面取得了一定的成果.由于实验模拟中，为便于高速摄影，固体颗粒粒径大且质量浓度低，因此这些研究尚无法从根本上反映运行泵内固体颗粒的实际运动轨迹，还需进行系统的研究.

1.3固液两相流泵磨损研究

由于固液两相流泵输送的介质含固体颗粒，这使得磨损成为固液两相流泵的主要问题之一，且磨损问题严重与否直接关系到泵的使用寿命.造成壁面磨损的原因一般分为三种：① 流体中所含颗粒冲击造成的损伤；② 汽蚀损伤；③ 颗粒冲击和汽蚀共同作用造成的损伤.由于颗粒冲击损伤和汽蚀破坏之间互相影响，使过流部件磨损更加严重.因此，系统地掌握磨蚀规律能够更好地指导泵内部部件参数化优化设计，提高其工作效率和寿命.

Warman国际公司对一种高效率的几何泵（HE）进行了磨损规律研究，主要考察了泵转速和浆料浓度对磨损的影响.试验中浆料保持实际工作状况下的质量浓度基本不变，泵体和叶轮材料采用易磨损的铸铁以提高磨损率，颗粒直径d≤700 μm.试验表明泵入口侧壁的内衬板的磨损破坏程度高于叶轮和壳衬.同时在不同的流量下对三种不同几何设计的侧衬进行冲蚀磨损研究，流量控制在0.6 Qbep～1.0 Qbep（Qbep为最高效率点对应的流量），结果表明：侧衬在大颗粒（1 000 μm）的冲蚀作用下磨损率变化不大；小颗粒时侧衬的冲蚀磨损率随流量的增加而下降[14].2007年，Khalid等对离心式渣浆泵叶轮进行了磨损失效分析，提出了降低渣浆泵磨损的措施[15].

何希杰等对渣浆泵进行了快速磨损试验研究，试验中叶轮和泵体均采用铸铝材料，以比较坚硬的石英砂为磨粒，固液混合物中固体的质量浓度控制在30%～40%.为了测得各个阶段的磨损情况，每运转6 h（共运转42 h）拆检一次并更换磨粒，同时对泵体和叶轮的磨损情况进行观测.试验结果表明：① 磨损从叶轮进口向出口逐渐增强，磨损最严重的地方是叶片工作面出口部分及其出口处，同时混合物中大颗粒越多，进口处磨损越快；② 叶端总的磨损量与固液混合物液流径向分速度有关；③ 叶轮和泵体的磨损量在总磨损时间的3/7时，磨损量分别为总磨损量（磨损前的泵体和叶轮看作为总磨损量）的53.5%和62.2%，此时扬程下降近1/3，而在磨损结束时扬程下降近1/2；④ 叶轮和泵体的磨损率在总磨损时间的1/7～3/7时为最高，磨损最快；⑤ 颗粒以很高的径向速度撞击泵体圆周壁面，并在此壁面上形成滑动床，所以泵体圆周壁面磨损严重.何希杰等还采用数理统计和回归方法对渣浆泵现场使用寿命的试验资料进行了分析研究，得出了预测渣浆泵使用寿命的经验公式，为渣浆泵设计研究、选型和现场运行提供了有利的工具，并提出了防磨措施[16-17].

李双寿等[18]采用正交试验方法对ADI（奥贝球体）渣浆泵叶片的磨损机理进行了研究，探讨了叶片材料、叶片参数和热处理工艺以及叶片力学性能、磨料等对叶片磨损的综合影响.研究表明，材料的特性对叶片磨损的影响比叶片参数和磨料种类的影响大.观察磨损的叶片发现，因受到流体作用不同，叶片不同部位的磨损程度也存在差异.ADI叶片头部以冲击磨损为主，磨损较严重；中部和尾部压力面受切削和碾压作用；中部和尾部吸力面以汽蚀为主，磨损最为严重.叶片磨损示意图如图1所示.该研究对叶轮叶片磨损失效机理进行了分析，并首次结合了材料的抗磨性分析，使两个不同领域有了有效的结合[18].由于过流部件磨损严重，材料价格昂贵，很多学者提出了耐磨陶瓷内衬、高耐磨橡胶以及SialonSiC耐磨陶瓷等三种渣浆泵的制备方法[19-21]，以减少磨损.

1.4外部特性研究

20世纪30年代起，国内外很多研究人员开始研究浆体质量浓度和泵本身参数对泵性能的影响.对于不同质量浓度的浆体，泵的性能变化不同.质量浓度一定时，泵输送细颗粒浆体时的效率有时会高于泵输送清水时的效率；而输送粗颗粒浆体时的效率一般低于清水泵的效率.对于不同种类的泵，在输送固液两相流时都有一个最佳的输送质量浓度.由此可知，泵过流部件的几何参数对泵的性能有一定的影响.叶轮出口角对泵的性能也有重要影响，在流量和转速一定时，离心泵应存在一个叶片出口角可使泵的效率达到最高[22].刘栋等应用计算流体力学FLUENT软件对3台叶片出口安装角不同的离心泵进行了数值模拟，分析了叶片出口安装角对泵内部固液两相流场的影响.研究表明：颗粒更容易在出口安装角大的叶片压力面聚集，且颗粒体积分数最大的区域偏向叶片压力面出口，使得更多的颗粒与叶片尾部压力面相撞，加速叶片磨蚀，故减小叶片出口角可减小颗粒聚集，从而提高叶轮寿命[23].杨华等对不同叶片包角的离心泵作了试验与数值模拟计算.结果表明，在叶轮外尺寸相同的情况下对叶片造型的设计存在最佳的叶片包角，包角取值不宜过大也不宜过小，同时得出单圆弧叶型不是最佳叶型[24].

2固液两相流泵的水力设计

从20世纪60年代起，国内外学者开始关注固液两相流泵的水力设计，通过改变泵内部结构提高泵的效率.由于固液两相流泵设计技术不成熟，只能借鉴水泵的设计方法.由于输送介质的特殊性，因此无法从根本上解决磨损快和泵效率低的问题.近年来，国内外固液两相流泵水力设计方法有以下几种，其中前三种最常用.

2.1经验统计速度系数法

经验统计速度系数法是以清水泵的公式为基础，结合国内外泵设计资料和试验数据推导出两相流泵的设计公式.公式中引入了可反映输送介质影响的系数.80年代初，刘湘文提出了离心式泥浆泵的设计方法[25]，其设计要点包括：叶轮外径、叶片宽度、叶片入口角的计算公式，叶片出口角的选取，叶片型线采用双圆弧曲线或对数曲线，采用螺旋形护套，压出室水力设计和隔舌位置的确定等.

由于该方法的建立是基于相似理论，没有从根本上脱离清水泵的设计方法，且和泵内部的两相流动相差太大，因此所设计的固液两相流泵的效率较低.虽然我国专家提出了几种经验公式，取得了一些成功案例[26-27]，但这些公式不能普遍应用于固液两相流泵的设计，而且经验公式的总结需要大量的数据，这样就导致了这些经验公式的局限性.

2.2畸变速度设计法

20世纪80年代初，蔡保元教授提出了两相流畸变速度设计法[28].其理论依据是：流体机械只能转换液体的能量而不能转换固体的能量，固体的能量是通过液体间接转换的，这是由于固体颗粒是在水流“裹协”下运动，可把固体颗粒作为水流运动的不连续边界条件.由于固体颗粒的影响造成液体的速度场和过流通道产生了畸变，使固体获得一定的能量，从而产生运动.在泵的入口，固体颗粒的速度小于液体速度，固体颗粒对水流的过流通道产生阻塞作用，使水流的过流通道变窄，水流畸变速度升高.反之，在泵的出口处，固体颗粒的速度大于液体速度时，固体颗粒相则产生抽吸作用，使水流的过流通道扩大，水流畸变速度降低.根据两相流的畸变速度场和两相流理论设计出泵的叶型和流道.

水利电力部电力建设研究所使用畸变速度设计法先后研制了六种不同类型的杂质泵.这些杂质泵水力效率较高，泵的最高效率ηmax=70%～80%，汽蚀性能良好，泵的最高扬程Hmax=6～8 m水柱.从上可知，采用该方法研制的各种杂质泵水力效率高，使用寿命长，并可进行高位布置.这是由于该方法将两相流动理论应用于固液两相流泵的设计中，考虑了固体颗粒在流动中的影响，因此使其设计更为准确可靠.该方法进一步结合了泵内的两相流动规律，对固液两相流泵理论和设计方法的深入研究有极大的推动作用.

虽然该方法首次把两相流设计理论运用到固液两相流泵的设计中，但是该理论还存在一定的争议，并且该方法设计的固液两相流泵的效率取决于泵内固体和液体的运动速度，通过计算得出的运输方程与实际有一定的差异，因此采用此理论设计的固液两相流泵必须要经过统计分析，并结合实践经验和一般水泵设计方法，才能完成设计任务.

2.3两相流速度比设计法

按固液两相速度比进行固液两相流泵水力设计的方法称为两相流速度比设计法.该方法80年代末由许洪元提出[29]，其设计理论（简称X理论）基本要点是：对固液两相流泵中的固液两相流动应用分离流动模型，在流道不同部位固体颗粒受力不同，固液两相之间的速度比发生变化，使两相流体的质量浓度比也随之变化.将得到的速度比方程应用于离心泵的设计中，推导出固液两相流泵的设计计算式.该设计方法考虑了泵中固液两相速度比的变化规律，使泵内过流部件能有效地转换能量，减少了泵的局部高速磨蚀，因此提高了泵的效率和寿命.

实践证明，采用该方法设计的固液两相流泵有很大的优越性.许洪元设计了300GY-M型固液两相流泵，并在云南锡业公司所属新冠选矿厂进行了工业性能测试，结果表明，其效率比12PN-7型泵高14.3%，且耐磨性强，寿命长，振动和噪声明显减小[29]；采用该方法设计的100XG-D1型固液泵优于国外同规格固液泵（如表1所示），最高效率达74.6%，抽送固液两相流时最高效率高于抽送清水的最高效率，高效区宽，适应性强，使用寿命长[30].在X型固液两相流泵的推广过程中发现，同一种口径的固液两相流泵因为工况不同，泵的运行参数相差较大，所以在选型时需考虑选用不同的设计参数.

2.4两相流流场分析设计法

两相流流场分析设计法是基于固液两相流边界层理论提出的.该理论在设计中的利用主要有两个方面：其一是对过流表面的水力效率分析；其二是确定泵的叶片型线.从泵的流体动力学性能方面看，叶轮的叶片优劣并不在于叶片型线是“双圆弧”还是“变角螺旋线”，而主要取决于固液两相流在叶片表面沿出口方向（沿程方向）是否产生较大程度的边界层分离.边界层的分离可由边界层理论确定，而泵的理论扬程以欧拉方程为其表现形式.将固液两相流的边界层理论和欧拉方程相结合提出了固液两相流泵设计方法，通过流动简化，提出了叶片型线方程[31].

这是一个较为新颖和全面的方法.随着计算机技术的迅速发展，许多大型的流场计算及性能预测软件随之出现，例如CFD、CFX、FLUENT、STAR-CD等软件.利用这些软件对泵进行流动规律分析和性能预测，并对最初的设计进行修改，直至达到最佳的效果[32]，使得产品研发时的准确性大大提高，周期更短，成本更低.但采用该方法设计的泵没有互换性，使用范围比较窄，很多方面需要运用传统方法加以修正，但在固液两相流泵的设计中已成为主要方法之一.

3固液两相流泵的性能优化

固液两相流泵的效率主要受限于过流部件，而过流部件由于受到固体颗粒的冲击磨损效率普遍较低.所以对固液两相流泵效率的研究主要是针对叶轮的研究.因此人们对此进行了广泛的研究，并建立了众多的模型和计算方法.

Herbich等通过试验研究了几何参数不同的叶片对泵性能的影响，叶片线型分别取单圆弧、双圆弧、渐开线和对数螺线等四种叶型，进口安装角为45°，出口安装角分别为35°、28.75°和22.5°.结果显示，当出口安装角为22.5°时叶片效率最高，叶片量磨损最小.渐开线和对数螺线叶型的叶片效率无差别，比单圆弧叶片高6%左右[33].王幼民等提出了以叶轮叶片出口宽度、出口角、直径、叶片数、进口直径、进口角、进口宽度为设计变量，以泵的能量损失最小为目标函数的泵叶轮的优化设计模型及优化计算方法[34].

除了对过流部件的优化，很多学者在泵的其它方面也做了很多的研究，以提高泵的整体效率.在泵内固液两相流中，由于固体的质量浓度不同，存在着牛顿流体和宾汉流体两种不同的流态[35].在宾汉渣浆流体中存在着一种柱状流动现象，由于柱状流动中层流薄层内的水成为柱体与管壁之间的润滑剂，因此泵内中柱状流动的摩擦损失要比清水时小，使泵的效率和输送效率都比较高.当流动为紊流状态下的牛顿流体流动时，可在流体中加入添加剂实现降阻，提高泵的工作效率.在实际工程中应针对相应的情况选择不同的添加剂提高效率，优化泵的性能.另外，应根据实际情况选用相应的固液两相流泵，使泵的效率最大化，同时也可根据泵的工作状态进行相应设计.虽然此方案在具体应用中有一定的困难，但随着经验的丰富仍可实现批量生产，从而减少成本，提高固液两相流泵效率.

目前，我国在固液两相流泵的性能优化方面做得还不够好.在设计方面，已完成的固液两相流泵的优化计算还存在很多的问题，优化对象有很大的局限性，同时单目标的优化并不能从整体上彻底提高泵的效率，优化结果很不理想.但是随着计算机技术的发展和两相流理论的逐渐成熟，固液两相流泵的性能将得到较大的提高.

4结论

由于固液两相流泵内流动的复杂性，以致很多问题还有待解决.因此，在今后的研究中，应注意以下几个问题：

（1） 利用数值模拟对泵内的流动规律和颗粒分布特征进行更深入的研究，具体分析泵的磨损特性，积累数据，建立一套全面、完备的资料数据库，为固液两相流泵的抗磨损设计提供依据.

（2） 加强固液两相流泵水力设计的CAD、CFD软件的开发，把最新的计算机技术应用于固液两相流泵的优化设计中.

（3） 固液两相流泵的水力设计还没有统一的理论设计方法，可根据最新的两相流理论和经验进行研究，建立完善的设计方法.

（4） 对现有固液两相流泵的数据进行归类，针对不同环境应用不同种类的泵或者进行相应的设计，以提高固液两相流泵的工作效率.

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