离心式污水泵内固液两相流动特性数值研究*

陈佩贤 ，田政锋 ，张海涛

（酒泉职业技术学院土木工程学院，甘肃 酒泉 735000）

0 引言

污水泵被广泛应用于国民经济的各个领域，如市政工程、引水工程、水利建设等，特别是随着国家乡村振兴战略的实施，污水泵被越来越多地应用于我国农村生产和生活的污水处理当中[1]。离心式污水泵叶片少，不易堵塞，结构简单，造价低，是污水泵中应用较为广泛的泵型。泵的内部流动特性能够直接体现泵的性能优劣，也是泵进行设计和优化的重要依据，基于此，越来越多的学者针对这一现象进行研究。

在目前的研究中，数值模拟技术因为成本低、能获得精细流场而得到了广泛应用。赵万勇等[2]以含沙水为介质，利用数值模拟技术研究了不同沙粒粒径和浓度对污水泵内水流流动特性的影响，发现粒径的大小对固体颗粒运动的影响较为明显，大颗粒在流道中脱离了叶片工作面。刘建华等[3]基于SIMPLE算法和N-S方程，利用Fluent软件对离心式污水泵内固液两相进行数值模拟，发现叶片压力面附近的颗粒多于吸力面，并且随着固体体积浓度增加，泵内各个端面的固体颗粒数量也在增加。曹卫东等[4]以半开式切割泵为研究对象，采用标准k-ε湍流模型，基于ANSYS CFX软件研究了泵内两相分布特性，发现不同固相体积分数和流量下，叶片尾部固相始终最大。程效锐等[5]基于相对坐标系下雷诺时均N-S方程，采用非结构化网格，利用数值模拟技术研究了螺旋离心泵内的流场特性。研究结果表明：不同固相颗粒体积分数下，轴向力基本不变化。钟卫等[6]利用ANSYS CFX软件研究了不同隔舌安放角对离心泵流场特性的影响规律，发现适当地增加隔舌安放角能使泵的水力效率高效区变宽。何朝辉等[7]基于Mixture模型，以双流道蜗壳泵为研究对象研究了不同颗粒直径下泵内固液两相流场分布特性，发现泵内浓度随着粒径的增加而增加。万丽佳等[8-10]以叶片数为研究变量，利用数值模拟技术研究了离心泵内固液两相的非定常特性，发现随着叶片数的增加，离心泵内瞬时扬程也会增大，并且蜗壳内压力脉动的幅值会减小。此外，叶片包角对泵内流场的影响也不能忽略。雷可铭等[11]基于CFD方法，对双吸双流道泵内固液两相流的流动规律进行性能预测，发现含沙流动中，流道内的脱流损失更严重，旋涡也更加明显。同样地，刘厚林等[12]也对双流道泵内固液两相流进行CFD研究，发现颗粒体积、浓度变化对泵内压力分布有较大的影响。

综上所述，可知目前针对泵内固液两相流动特性已有大量学者做了相关的研究，并且得到了较为丰富且成效显著的结果，为泵内固液两相流动特性的研究奠定了十分重要的基础。然而，对于离心式污水泵相关流场的研究却不多见，这给污水泵的设计和优化造成了较大的困难，也严重地制约着该泵型的进一步推广和应用。鉴于此，本文以离心式污水泵为研究对象，对泵内固液两相流态进行研究，以便进一步解释泵内流动机理，旨在为该泵的设计优化提供参考。

1 计算模型

本文以离心式污水泵为研究对象，利用三维建模软件对水力部件进行设计，其基本的参数如下：流量为15 m3/h，扬程为20.6 m，转速为2 900 r/min，叶片数为2，叶轮直径为160 mm，具体三维模型如图1所示。

图1 离心式污水泵三维模型

2 数值计算方法及设置

2.1 网格划分

在完成水力模型建模之后，便要对离心泵进行网格划分，也就是对连续的计算域进行划分，确定每个区域的节点，并生成网格。网格划分是数值模拟中一个重要的环节，影响着数值模拟的准确性和精度。鉴于离心式污水泵叶轮流道扭曲，为了更好地适应几何体，采用ICEM-CFD进行全流道非结构化网格划分，并且对于流动复杂的区域进行局部加密，以便更加准确地捕捉泵内的固液两相流态。整个计算域网格分为进口域、叶轮域和蜗壳域3个部分。经过检查，满足网格无关性要求，最终的计算网格如图2所示。

图2 计算网格

2.2 边界条件

基于雷诺时均N-S方程和SSTk-ω湍流模型，利用ANSYS CFX软件对不同固体颗粒体积分数和颗粒直径下的离心式污水泵内固液两相流动特性进行三维数值模拟计算。具体设置如下：叶轮转速设置为旋转域，转速为2 900 r/min；蜗壳和进口设置为静止域，动静部件之间的交界面设置为“Frozen Rotor”，液体和固体分别设置为连续相和离散相，并且设置不同的固体颗粒直径，分别为1 mm、3 mm、5 mm；边界条件设置为速度进口和压力出口边界，并且在进口设置固液两相的体积分数，固相体积分数分别为1%、5%、10%；计算过程中设置迭代步数为3 000步，收敛残差设置为10-5。

3 结果分析

3.1 泵内压力分布特性

颗粒直径为3 mm时，不同颗粒浓度下污水泵内压力分布如图3所示。由图可知，不同颗粒浓度下污水泵内压力分布总体规律基本相似，即压力从叶轮进口沿着流道逐渐增加，并且在蜗壳内进一步整流增压后排出。颗粒浓度对泵内压力分布影响最为显著的位置是在叶轮进口处，颗粒浓度越大，叶轮进口附近低压区越显著。因此，高浓度输送工况下的污水泵在设计时应该重点关注其抗空化性能。

图3 不同颗粒浓度下泵内压力分布

颗粒浓度为5%时，不同颗粒直径下泵内压力分布规律如图4所示。由图可知，颗粒直径对泵内压力分布的影响较小，不如颗粒浓度影响明显。和颗粒浓度影响一致，颗粒直径影响的明显位置也在叶轮进口处，但是影响程度小一些。

图4 不同颗粒直径下泵内压力分布

3.2 叶轮内速度特性分布

颗粒直径为3 mm时，不同颗粒浓度下叶轮内速度流线分布如图5所示。由图可知，颗粒浓度对泵叶轮内流态的影响较大，当Cv=1%时，发现叶轮压力面出现了旋涡分布，并且旋涡沿着流道呈条状分布，随着颗粒浓度的逐渐增加，旋涡逐渐消失。与此同时，叶轮靠近出口位置的旋涡却逐渐增强，当Cv=10%时，叶轮出口位置的旋涡较为明显。由此可知，颗粒浓度对于泵内流态分布的影响较为复杂，并且旋涡分布也在叶轮流道内交替变化。

图5 不同颗粒浓度下叶轮内速度流线分布

3.3 叶轮内固相颗粒体积分数分布

颗粒浓度为5%时，不同颗粒直径下叶轮内固相体积分数分布如图6所示。由图可知，不同颗粒直径对于流道内颗粒体积分数分布影响主要体现在叶轮进口区域附近。当颗粒直径d=1 mm时，叶轮压力面和吸力面以及叶轮进口附近固相颗粒体积分数较大；另外，在叶轮流道中，固相颗粒体积分数较大的位置主要集中在叶轮吸力面，并且叶轮中间流道的固相颗粒体积分数也较大。随着颗粒直径的增加，发现叶轮进口靠近吸力面的固相颗粒体积分数逐渐减小，而靠近压力面的固相颗粒体积分数逐渐增加，同时叶轮流道中吸力面附近的固相颗粒体积分数也逐渐降低。当颗粒直径d=5 mm时，发现靠近叶片进口吸力面的颗粒固相颗粒体积分数进一步减小，而靠近压力面的颗粒固相颗粒体积分数进一步增加。总的来看，颗粒直径对叶轮进口区域的影响还是不能忽略的。

图6 不同颗粒直径下叶轮内固相体积分数分布

颗粒直径为3 mm时，不同颗粒浓度下叶轮内固相颗粒体积分布如图7所示。由图可知，随着颗粒浓度的逐渐增加，叶轮内固相颗粒主要集中在叶轮进口和进口压力面附近，并且逐渐增加，而在叶轮出口附近的固相颗粒聚集没有进口那么明显。总之，要提高离心式污水泵的输送能力，应该重点加强进口附近的设计。

图7 不同颗粒浓度下叶轮内固相颗粒体积分布

3.4 叶轮叶片表面压力分布

不同颗粒浓度下，叶轮0.5倍叶高下的压力分布如图8所示。由图可知，叶轮进口附近出现了低压区，这与前面的分析结果一致，并且发现靠近叶片叶轮出口附近的压力曲线出现了波动，这会使泵做功不稳定，影响泵的运行效率，后续对叶片的优化中应该针对此处进行优化。从叶片吸力面和压力面的压力变化情况来看，颗粒浓度主要影响吸力面；在叶片位置方面，主要影响叶轮进口附近位置。随着颗粒浓度的增加，发现叶片压力面和吸力面的压力均逐渐降低，但是压力面和吸力面之间的差值，即叶片载荷基本保持不变。

图8 叶轮0.5倍叶高下的压力分布

4 结论

基于ANSYS CFX软件对离心式污水泵内固液两相流动进行了数值计算，分析和总结了泵内压力、速度和固体颗粒分布规律，得到了以下结论：

1）颗粒浓度对泵内压力分布影响最为显著的位置是在叶轮进口处，颗粒浓度越大，叶轮进口附近低压区越显著。另外，颗粒直径影响明显的位置也在叶轮进口处，但是影响程度小一些。

2）颗粒浓度对于泵内流态分布的影响较为复杂，并且旋涡分布也在叶轮流道内交替变化。叶轮流道内旋涡沿着流道呈条状分布，随着颗粒浓度的逐渐增加，旋涡逐渐消失。

3）颗粒浓度的影响主要集中在叶片吸力面，并且叶轮中间流道的体积分数也较大。随着颗粒直径的增加，发现叶轮进口靠近吸力面的固相颗粒体积分数逐渐减小，而靠近压力面的固相颗粒体积分数逐渐增加。颗粒浓度主要影响吸力面压力分布，并且在叶轮进口附近的位置影响更大。随着颗粒浓度的增加，发现叶片压力面和吸力面的压力均逐渐降低，但是压力面和吸力面之间的差值，即叶片载荷基本保持不变。