固液两相流泵内部流动数值模拟及性能预测.pdfVIP

第六届全国水力机械及其系统学术会议 HMAS6-047 2013年10 月18-20 浙江·杭州 固液两相流泵内部流动的数值模拟及性能预测1） 1 1 2 苏砚文 ，唐学林 ，顾广运 （1 中国农业大学水利与土木工程学院，北京市 100083） （2 中国煤炭科工集团唐山研究院，河北省唐山市 063099） 摘要 本文利用 RNG k −ε 湍流计算模型和 SIMPLEC 算法对采用两相流理论设计的 100LZ-360 型离 心式固液两相流泵内部三维湍流流场进行数值模拟。分别对不同流量工况下的清水流场和固相浓度 10%的浑水流场进行数值模拟，并与试验结果进行对比。结果表明：本文采用的计算模型和算法准 确的预测了离心式固液两相流泵的性能，验证了计算模型与算法的可靠性。然后对清水工况和浑水 工况的计算结果进行对比发现，采用两相流动理论设计的固液两相流泵在浑水工况下效率高于清水 工况下的效率。最后对四种不同进口初始固相浓度的流场进行性能预测，发现随着固相浓度的增 大，泵的扬程基本不下降，而效率始终高于清水工况，当固相浓度在设计点时效率达到最大值。对 流场中固相浓度分布进行了预测，发现采用两相流理论设计的泵，固相浓度分布更均匀，尤其在浑 水工况下运行时。 关键词 数值模拟；性能预测；固相浓度分布；固液两相流泵 分析颗粒大小、渣浆浓度和泵转速等对于磨损 引 言 的影响，并与其它试验室的试验结果进行了对 固液两相流离心泵目前已广泛应用于水 比。 力、电力、石油、化工、冶金等现代工业、农 虽然目前国内外学者对固液两相流泵进行 业、交通与民用部门，对国民经济发展起着重 了大量的研究，但这些研究大多是单一的数值 要作用。目前，国内外学者致力于从理论分 模拟或试验研究，很少将数值模拟结果与试验 析、数值模拟和试验研究等方面对固液两相流 值进行对比，更准确的分析固液两相流泵的性 泵内部流动特性和磨损规律等进行分析，以期 能。另外以往对两相流泵的设计思想大多采用 望对两相流泵进行优化设计，提高泵的性能和 以清水介质为基础的一相流理论[6] ，这种设计 使用寿命。Li 等[1]通过理论分析和数值模拟的 与泵的实际使用条件不符，会导致泵水力效率 方法对泥浆泵内部固液两相流进行计算，对不 低、汽蚀性能差、局部磨损严重等问题。为解 同叶片出口角情况下叶轮内固相分布情况的进 决这一问题发展的两相流理论设计思想[7] 已日 行研究，并得到叶片出口角对泥浆泵效率的影 趋成熟，叶轮型线和蜗壳流道的设计均考虑了 响。刘厚林等[2]对双流道泵内固液两相流动进 固体颗粒对实际流场造成的影响，按照两相流 行了叶轮蜗壳耦合数值计算，针对不同工况下 中水流速度场的合理变化规律，进行设计的两 不同颗粒直径和不同颗粒体积浓度, 对泵内静 相流泵，具有高效节能，使用寿命高的特点。 压分布、绝对速度分布、固相体积浓度分布以 本文针对采用两相流理论设计的固液两相流离 及泵能量外特性等的影响进行了详细分析。 心泵进行全流道内部三维流动数值模拟。首先 Zhang 等[3]针对固液两相流泵运行中低效和磨 分别在清水工况和浑水工况下进行计算，通过 损严重这两个主要问题，对固液两相流离心泵