基于双向耦合的吸沙泵外壳与叶片摩损仿真分析

田俊良,郑泉*,刘和明

(1.安徽农业大学 工学院，安徽 合肥 230036；2.明光留香泵业有限公司，安徽 明光 239400)

基于双向耦合的吸沙泵外壳与叶片摩损仿真分析

田俊良1,郑泉1*,刘和明2

(1.安徽农业大学 工学院，安徽 合肥 230036；2.明光留香泵业有限公司，安徽 明光 239400)

为研究吸沙泵磨损机理，建立吸沙泵的三维几何模型和两相流模型，通过仿真与试验数据的对比验证模型的准确性。分别采用单向和双向流固耦合方法对建立的固液两相流模型进行数值模拟，并对叶片及壳体相关区域的速度和压力分布进行分析。结果表明：固相粒子普遍集中在泵体内缘，出口处固相分布多于进口处；与单向耦合相比，双向耦合更符合实际情况；摩擦磨损主要集中于泵体内缘和叶片的工作面沿半径方向外侧；粒径越大，固相分离现象越明显，增加转速使扬程降低，但是转速过低会使效率急剧下降。

吸沙泵；多相流；双向耦合；磨损

吸沙泵作为一种特殊用泵应用广泛，但由于水、沙的磨损使其寿命缩短，因此有必要对复杂边界条件下湍流结构的影响和高浓度固相粒子对摩擦磨损机理进行深入研究。目前国内外对泵的研究主要集中在水利特性、内部流场瞬态水力激振特性下的流固耦合以及动静湍流场的非定常特性等方面，例如：文献[1]采用发展的RN-S方程和液相/气相界面跟踪方法的单相空化模型数值求解技术，开展利用空化数对离心泵的水力性能影响特性的数值研究；文献[2]基于代数滑移混合物模型(algebraic slip model,ASM)模型，对三维不可压缩定常流动进行数值计算并采用冻结转子法，确定最佳水力特性下转子的转动位置；文献[3]分别考虑不耦合和耦合作用对泵流场内部工作情况的影响；文献[4]研究旋流泵输送固液两相流特性，证明旋流泵内部两相流动符合畸变速度原理；文献[5-7]针对泵内部流场瞬态水力激振特性对轴流泵叶顶区空化流气液混合区域密度变化、轴流泵的流量-扬程曲线、空化特性及其诱导非定常空化压力脉动以及水泵液压系统瞬态特性分别进行研究；文献[8]针对两相流下叶片磨损情况的复杂性，考虑不同固相体积分数以及相对运动速度，得出叶轮磨损情况；文献[9-10]使用二维涡方法研究离心泵叶轮和导叶(离心泵的转能装置)内部的非定常压力脉动。研究成果主要集中于水泵类产品，而对于吸沙泵这类特殊用泵以及其泵体内部和叶片摩擦磨损分析等方面尚未深入研究。

本文采用ANSYS和CFX对吸沙泵进行耦合分析，研究不同工况下的速度场分布和压强变化，并根据叶轮旋转域以及壳体域的综合分析得出相应叶片和壳体受力情况，对可能出现的摩擦磨损以及叶片表面剥离情况做出预测，为叶片叶形优化和偏角优化提供参考[11-12]。

1 流固两相流理论

本文模型采用水沙固液两相流且将水看成不可压缩流体、而沙子默认为拟流体[13]，假设沙子外形成球形，粒径固定不变且不发生相变。在 Eulerian 坐标系下，采用混合代数滑移模型(mixture algebraic slip model,MASM)[14]，其中两相连续方程为：

(1)

(2)

(3)

式中：ρm为混合密度；ρk为k相密度；Umj为混合相的混合平均速度;Xi(i=1,2,3)为欧拉坐标;αk为k相体积系数；Ukj为k相的平均速度。

两相动量方程为：

(4)

式中：Umi为混合相整体对流运动速度；pm为混合相动压；τmi、τTmi、τDmi分别为平均粘性应力、紊动应力和扩散应力;gi为附加质量力系数;Fki为k相所受的作用力。

相对速度方程为：

(5)

式中：Ucpi为相间的相对速度；mp为混合相质量。

2 吸沙泵模型与边界条件

2.1几何与网格模型

基于Catia软件对吸沙泵进行实体建模，并将三维模型导入CFX软件中建立流体模型[15-18]。吸沙泵的额定转速为750 r/min、叶片数为4、进口直径和出口直径均为406 mm，扬程为14 m，流量为750 m3/h,配套电机功率为60 kW，设沙子密度为2 650 kg/m3，吸沙泵的模型如图1a)所示，壳体域与旋转域如图1b)所示。基于ICEM软件对流体域进行非结构网格划分，外壳域选择四面体网格，如图2a)所示，旋转区域采用了六面体网格划分，如图2b)所示，并在外壳域表层和细小尖角区域网格加密，共产生1 325 487个网格，对网格质量检查，壳体域与旋转域的综合网格平均值为0.789，标准差为0.188，符合网格质量要求。

图1 吸沙泵模型与内部流模型示意图 图2 流体域网格

2.2边界条件与算法

图3 试验与模拟的扬程-流量关系对比

外壳壁面与叶轮壁面采用无滑移的边界条件，采用速度入口和自由压力出口；在压力与速度耦合上，采用RNGk-ε湍流模型[19-21]进行求解；对流区域的空间离散采用一阶迎风格式；为了简化计算，认为所有固相颗粒均是相同固定直径的球形颗粒物；各个控制方程方根RMS残差格式的收敛依据是10-5。在数值模拟计算中，控制方程采用MSAM模型；计算采用Double精度，基础时间步长设置为2×10-4s；在收敛比较困难的部分，适当减小时间步长，加快收敛。

2.3外工作特性

为了验证上述模型以及边界条件的设置准确性，以单相清水为介质，开展试验测试，根据两种耦合方式的数值模拟计算结果得出不同流量下扬程外特性曲线，并与试验扬程曲线进行对比[19-21]，如图3所示。由图3可知：数值模拟计算扬程与试验结果误差较小，均不超过6%，因此模型是可信的。

3 吸沙泵仿真分析

3.1不同粒径下速度场分布

在设计转速下，当工作介质采用不同粒径的沙子与水组成的固液两相混合物时，泵腔内的速度矢量分布如图4所示(图中数字单位为m/s)。

图4 不同粒径沙相速度矢量图

由图4可知：无论是单向还是双向耦合，不同粒径沙相的运行轨迹及运动状态基本相似，且具有几乎相等的最大速度；泵体内轮缘处沙的速度比内部轮毂速度快，且在高速运转产生的强离心力作用下，泵体内缘沙质速度流线随粒径增大而集中，且转速偏高区域的面积逐渐增大，这表明在该区域固相颗粒粒径越大对于泵体的磨损越严重。出口处压力大，水沙混合物随叶轮运行到出口处受压形成漩涡；随着粒径增大，冲击能力增强，漩涡现象反而明显减弱。通过对不同耦合方式的结果对比分析可以看出，涡旋位置分布以及出口段速度分布规律基本相同。随着粒径增加，叶轮工作背面速度大于工作正面，部分沙速度流线从叶轮工作背面向叶轮工作正面迁移，与工作背面相比，固相颗粒对于工作面磨损几率明显增大。

由此得知：粒径的改变对于单向耦合和双向耦合作用的整体差异影响不大，但在出口、隔舌、高低速运转区和泵体轮缘的速度变化比较明显；且与单向耦合作用相比，双向耦合作用流线更为紊乱，这是因为考虑了叶轮振动以及流体对叶轮的作用反馈。

图5 设计流量下叶轮压强分布

3.2不同转速下压强分析

通过对速度场分析可知，在离心段外圈贴合泵体内边缘处速度比较大，则易存在较大的摩擦磨损；而叶片区域沙流速度变化不显著。采用固相粒径为0.01 mm沙子和水混合，在混合相中沙子的质量分数为60%，其压强分布结果如图5所示(单位为MPa)。由图5可知：工作背面的压强普遍小于工作正面；沿着工作正面压强分布往外扩展，而在入口处附近叶片的工作背面，则出现了小范围的相对负气压，因而此处极易发生气蚀现象，附近叶轮固体壁面在局部温度和局部压强的反复作用下被剥蚀。

图6 两种耦合方式下0.01 mm粒径压强分布图

对叶片工作正面轮缘附近选一点(即图5中的A点)进行压强分析，如图6所示。由图6可知：双向耦合方式下某点压强随转速增加而增加(转速和流量在效率不变、粘度不大的情况下成正相关)，而单向耦合得到的该点压强在各个转速下均大于双向耦合。随转速增大，扬程下降，而沙泵的效率先增大后减小，且压强逐渐增大，使叶片沿半径方向工作表面磨损加剧，因而实际工作时均是选择合适的转速，这样既保证了合适的扬程，又可以使沙泵的磨损情况比较理想。而对于粒径为0.1 mm和1 mm下该点的压强分布，也满足图6的分布规律。

4 结论

1)离心作用使固相粒子普遍集中在泵体内缘，出口处固相分布多于进口处，出口易磨损；考虑双向耦合的情形下，离心区域的流道分布更加紊乱，在出口、隔舌和离心区域产生的涡旋对于内部流道产生较大影响。

2)离心泵转速的提高导致流量增加，对于隔舌的最大压强持续增大，且随粒径的增加最大压强有所波动，不利于改善隔舌磨损；叶片工作面固相分布多于工作背面，对于进口处附近的叶片极易产生气蚀，长期会导致叶片剥离，且压强逐渐增大使得叶片沿半径方向工作表面磨损加剧。

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SimulationAnalysisofFrictionLossofPumpSuctionSandShellandBladeBasedonTwo-WayCoupling

TIANJunliang1,ZHENGQuan1*,LIUHeming2

(1.CollegeofTechnology,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036,China；2.MingguangLiuxiangPumpCo.,Ltd.,Mingguang239400,China)

In order to study the mechanism of the sand suction pump wear, the three-dimensional geometric model and two-phase flow model of the sand suction pump is established and the accuracy of the models through the comparison of simulation data and experimental data is verified. The unidirectional and bidirectional fluid-solid coupling methods are adopted respectively to make the numerical simulation of the established solid-liquid two-phase flow model, the velocity and pressure distribution of the relevant area of the blade and shell is analyzed. The results show as follows. The solid phase particles are generally focused on the inner edge of the pump body, more solid phase distribution at the exit than that at the inlet. Compared with the one-way coupling, the two-way coupling is more in line with the actual situation. The friction and wear are mainly concentrated on the inner edge of the pump body and the blade working face along the radius direction of the lateral. The bigger the particle is, the more obvious the solid phase separation phenomenon is. The rotating speed increase lowers the head, but the low speed drops sharply in efficiency.

sand suction pump; multiphase flow; two-way coupling; friction loss

TH117.1

：A

：1672-0032(2017)03-0088-06

(责任编辑：郎伟锋)

2016-10-10

安徽省重点研究与开发计划项目(1704a0902045)

田俊良(1989—)，男，合肥人，硕士研究生，主要研究方向为流体力学，E-mail:junliang106@163.com.

*通讯作者：郑泉(1970—)，女，安徽芜湖人，教授，硕士生导师，主要研究方向为机械设计，E-mail:wangww0618@163.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.03.014