串接组合式迷宫螺旋泵的气液两相流数值模拟及试验研究*

张塞　张有忱　阎华　杨卫民

(北京化工大学机电工程学院　北京 100029)



串接组合式迷宫螺旋泵的气液两相流数值模拟及试验研究*

张塞张有忱阎华杨卫民

(北京化工大学机电工程学院北京 100029)

摘要为研究串接组合式迷宫螺旋泵在实际污水处理过程中的曝气增氧效果和内部的流动情况，应用计算流体力学FLUENT软件，基于混合物多相流模型，对串接组合式迷宫螺旋泵内部三维多相流场进行了数值模拟，分析了不同含气率条件下流场的压力、速度、气相分布情况，分析得出：泵的压力梯度在不同含气率下有所不同，但压力分布都是沿着轴向方向增加，增压效果明显；转子流域的速度明显高于定子流域，且随着含气率的增大，转子流域速度越来越小，定子流域速度越来越大；泵整体含气率比较均匀，随着含气率的增大，出口流域含气率明显高于进口流域和螺旋环流域，有大量气体聚集的现象。试验结果表明：泵的扬程模拟曲线和试验曲线基本吻合，扬程误差值在7%左右，说明数值模拟结果较为准确，串接组合式迷宫螺旋泵在进行气液混输时出口气泡均匀，水中含氧量多，具有良好的曝气增氧效果。

关键词串接组合式数值模拟气液两相流曝气增氧

Numerical Simulation and Experiment of Gas-Liquid Two-Phase Flow in Labyrinth Screw Pump with Series Combination

ZHANG SaiZHANG YouchenYAN HuaYANG Weimin

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,BeijingUniversityofChemicalTechnologyBeijing100029)

AbstractTo investigate the characteristics of gas-liquid two-phase flow and aeration effect of the labyrinth screw pump with series combination in the practical wastewater treatment process, the FLUENT analysis software is applied, based on the mixture model of multi-phase, to conduct numerical simulation on its interior flow field and analyze the pressure, the velocity and the distribution of gas and liquid phase under conditions of different gas rates. The result show that: the pressure gradient varies under different gas rates, but the pressure is increased along the axial direction; the fluid velocity in the rotor is obviously higher than that in the stator, and with the increase of the gas rate, the fluid velocity in the rotor will get smaller and smaller, while the fluid velocity in the stator will be larger and larger; the gas void distribution in pump is uniform, but with the increase of gas rates, the gas rate at the outlet is obviously higher than that appeared at the inlet area and screw ring and large amount of gas gathers. The experimental results show that: the pump lift curve is essentially consistent with the experimental curve and the error is 7% or so, indicating that the simulation result is correct and bubble at the outlet is uniform, with high concentration of oxygen in the water and good aeration effect.

Key Wordsseries combinationnumerical simulationgas-liquid two-phase flowareation

0引言

随着工业化进程的加快，污染排放量的不断增加，水污染问题日益严重，工业废水的处理更加受到世界各国的重视，因此保护水资源和防治水污染，是水资源可持续发展必须解决的问题[1]。污水处理是环境工程中的重要环节，而曝气系统作为污水处理中一个关键单元直接影响着出水、水质稳定性和处理成本[2]，张有忱等[3-4]对离式螺旋设备进行了大量实验研究，发现该泵具有良好的曝气效果，在污水处理中该曝气设备相对于传统的以鼓风机和曝气器为曝气系统设备更加高效和节能，黎镜中等[5-6]研制了一种新型污水处理曝气装置----离式螺旋体微纳米气泡装置，该装置不仅可以给河湖增氧，还可以解决超滤膜污染的难题。串接组合式迷宫螺旋泵是一种新型迷宫螺旋泵，该泵是在通用迷宫螺旋泵的基础上将泵转子设计成多个转子环串接组成、泵定子设计成多个定子环串接而成[7-8]，该泵的发展将大大推进迷宫螺旋泵的发展，同时为污水处理领域提供了一种新型的曝气设备。

而基于串接组合式迷宫螺旋泵的气液两相流的研究还鲜见报道，因此本文对串接组合式迷宫螺旋泵的内部气液两相流动规律进行了研究，分析了不同含气率的条件下泵内部流场的影响变化，并通过试验验证了泵的曝气增氧效果，为深入了解串接组合式迷宫螺旋泵气液混输性能提供了依据。

1试验泵及数值计算方法

1.1设计参数

流量Q=3 m3/h,扬程H=25 m,转速n=2 900 r/min。

1.2螺旋槽主要尺寸

该串接组合式迷宫螺旋泵的螺旋体采用三角形迷宫螺旋槽，泵的主要几何参数为：螺旋槽深h=3 mm，转子和定子之间的间隙c=0.3 mm,转子环长度Lz=90 mm，定子环长度Ld=90 mm，环槽宽度Sw=4 mm，环槽深度Sh=4 mm，螺旋头数Z=27,转子外径d=80 mm，导程S=80 mm。

1.3泵的结构

串接组合式迷宫螺旋泵的结构如图1所示。

图1　串接组合式迷宫螺旋泵的结构示意图

1.4数值计算方法

本文对泵在不同含气率条件下进行气液两相流数值模拟，并分析泵内部流场中压力分布、速度分布、气相分布的变化情况，两相流的基本参数为：串接组合迷宫螺旋泵进口处的含气率α=0.1,0.2,0.25,0.3,0.35,0.4；进口混合物体积流量Q=2.8 m3/h。

串接组合式迷宫螺旋泵的几何模型和网格划分过程在Gambit中实现的，网格总数为3 564 795；多相流的计算方法选用混合物模型[9-10]，考虑流体的旋转情况，流场湍流的计算用RNGk-ε湍流模型，转动区域采用多重参考系方法处理，各控制方程采用二阶迎风格式离散，控制方程离散后需要求解，采用压力速度耦合的SIMPLE算法[11]。此外，边界条件的设定对计算结果的影响也很重要，本文的边界条件设定为：进口采用速度进口，出口采用充分发展出口，各流域交界面处采用内部边界；壁面采用默认的无滑移边界条件，在靠近壁面区采用标准壁面函数法处理。

2模拟结果及分析

2.1压力分布

图2是含气率α分别为0.1，0.2，0.3，0.4时泵内静压分布云图。可以看出整个流场的压力都是沿着轴向逐渐增大，说明螺旋槽是泵的主要升压部件，具有增压的作用，但在不同的气液比例条件下压力增加幅度有所不同。从入口到出口，泵的压力增加比较缓慢，没有剧烈变化，这对气液两相输送特别有利，因为这样在输送过程中不易造成两相分离，但在入口处容易形成负压，因为迷宫螺旋泵属于自吸泵，比较发现随着泵内含气率的增加，出口压力也逐渐变大，这是因为进口条件设置包括进口速度和气相体积分数，含气率越大，气体质量流量越大，出口总压也越大。

(a)α=0.1

(b)α=0.2

(c)α=0.3

(d)α=0.4

图2泵内静压力分布云图

2.2速度分布

图3是含气率α分别为0.1，0.2，0.3，0.4时泵内速度矢量分布云图，由图可以看出不同含气率条件下流体在转子螺旋槽中的速度均大于定子螺旋槽中的速度，随着螺旋槽半径的减小其速度逐渐变大，在转子螺旋槽底部达到最大，这是因为泵靠转子的高速旋转带动流体介质的运动；由速度矢量放大图还可以看出随着含气率的增大，转子根部流域的速度越来越小，定子根部流域的速度越来越大，气体流动方向从转子流域逐渐过渡到定子流域，从而不断冲蚀定子螺旋槽部分，说明定子螺旋槽部分会因为含气率较大的缘故而加重磨损。

(a)α=0.1

(b)α=0.2

(c)α=0.3

(d)α=0.4

图3泵内速度矢量分布云图

2.3气相分布

图4为含气率α分别为0.1，0.2，0.25，0.3，0.35，0.4时泵内气相分布云图。从各个图可以看出在泵入口处气相浓度分布比较均匀，没有明显的突变，这是因为泵进口处边界条件设置为两相流速度相同；泵出口处局部含气率较高，气体容易在泵出口处形成气团，这样很容易发生气堵；转子和定子流域的含气率明显大于进口处含气率，随着含气率的增大，转子和定子流域的高含气率越来越大，当含气率大于0.3时高含气率几乎占据了泵的整个流道，这是因为随着含气率的增加，液相流量逐渐减小，加上转子的高速旋转，离心力和惯性力的作用使得较重的液相被甩到定子区域，由图3中不同含气率的速度矢量放大图可以看出，在螺旋段流域，定子流域容易发生气旋，随着含气率较大时，气体大量聚集在转子和定子耦合区域，从而造成定子和转子间隙处气体和液体的速度发生变化，这种是由于离心力、惯性力、定转子间隙、螺旋升角等因素引起的气液分布不均匀。

(a)α=0.1

(b)α=0.2

(c)α=0.25

(d)α=0.3

(e)α=0.35

(f)α=0.4

图4泵内气相浓度分布云图

3试验研究

3.1试验系统

在某污水处理厂曝气实验室，对串接组合式迷宫螺旋泵进行曝气性能试验，试验流程图如图5所示，压力表1和压力表2为电容式压力变送传感器，分别显示进口和出口的压力值，从而计算泵在不同含气率条件下的扬程，流量计为转子流量计，其中气体流量计为LZB-25转子流量计,溶氧仪型号为WTW Oxi330i，用来测量串接组合式迷宫螺旋泵排出水池内的含氧量。

图5　串接组合式迷宫螺旋泵曝气试验原理

3.2结果分析

进口混合物体积流量Q=2.8 m3/h，含气率α分别为0.1，0.2，0.25，0.3，0.35，0.4，转速为2 900 r/min条件下进行模型的试验验证，试验扬程与模拟扬程的曲线如图6所示，水中含氧量随时间的变化曲线如图7所示，模拟扬程曲线与试验扬程曲线的趋势是一致的，试验结果与计算结果相差不大，扬程误差在7%左右，这都在合理范围之内，说明数值模拟结果较为准确。由图7所示，在污水处理中，串接组合式迷宫螺旋泵可以明显增加水中的含氧量，曝气效果很好，并且随着进口含气率的增大，水中含氧量增加的速率变大，从而达到曝气增氧的目的。

图6　试验扬程与模拟扬程曲线

图7　水中含氧量随时间的变化曲线

4结论

(1)不同含气率条件下整个流场的压力都是沿着轴向逐渐增大，但压力增加幅度沿轴向有所不同，说明螺旋槽是串接组合迷宫螺旋泵的增压部件；随着含气率的增大，转子根部流域的速度越来越小，定子根部流域的速度越来越大，气体流动方向从转子流域逐渐过渡到定子流域。

(2)不同含气率条件下泵的进口和螺旋环流域含气率比较均匀，出口含气率分布不均匀，较小时出口没有严重的气体聚集现象，当含气率大于0.3时，出口有明显的气体聚集现象，容易发生气堵。

(3)泵的扬程的模拟曲线与试验曲线基本吻合，扬程误差在7%左右，说明数值模拟结果较为准确；该泵用于污水处理曝气增氧环节时，出口气泡小、均匀，水中含氧量高，可以明显增大污水中气体和液体的接触面积，曝气增氧效果明显。

参考文献

[1]MUGA H E, MIHELCIC J R. Sustainability of wastewater treatment technologies [J].Journal of Environmental Management, 2008,88(3):437-447.

[2]REARDON D J. Turning down the power[J].Civil Engineering,1995,65(8)：54-56.

[3]张有忱,杨春玲,黎镜中.迷宫螺旋泵气液两相流场的数值模拟及试验[J].排灌机械工程学报, 2010,28(6):492-496.

[4]杨春玲,张有忱,黎镜中.新型气液混输型曝气增氧设备性能[J].化工进展,2011,30(3):483-487.

[5]黎镜中,代庆军,李文奇.离式螺旋微气泡泵人工增氧技术[J].通用机械,2011，11(11):73-74.

[6]黎镜中,夏俊林,刘明轩,等.离式螺纹泵解决超滤膜污染的探讨[J].通用机械,2012，12(3):34-35.

[7]张有忱,李娇娇.串接组合式迷宫螺旋泵: 中国,104121201A[P].2014-10-29.

[8]李娇娇,张有忱.串接组合式迷宫螺旋泵的数值模拟及性能分析[D].北京：北京化工大学,2014.

[9]刘建瑞，苏起钦.自吸泵气液两相流数值模拟分析[J].农业机械学报,2009,40(9):73-76.

[10]朱荣生，林鹏，龙云，等.螺旋轴流泵的固液两相流动数值模拟[J].排灌机械工程学报,2014,32(1):11-15.

[11]王瑞金,张凯,王刚.FLUENT技术基础与应用实例[M].北京:清华大学出版社,2007,201-213.

张有忱，男，1957年生，山东平度人, 教授，主要从事机械设计和流体机械流场分析研究。

(收稿日期：2015-02-06)

作者简介张塞，男，1989年生，河北邢台人, 硕士研究生,主要从事流场分析及工业水处理研究。

*基金项目：国家科技支撑计划重大项目(2011BAA04B02)。