离心泵内固液两相流动及磨损率的模拟计算

作者：黄思，广东省流体机械技术学会副理事长，华南理工大学机械与汽车工程学院教授，博士生导师

 

1 CFD-DEM耦合模拟计算

     对于泵内固液两相流数值模拟，一般的做法是将固体颗粒相视为“拟流体”，采用多相流的CFD方法进行计算，难以体现固体颗粒形状大小、碰撞、凝聚和分离等特性。本文以工程中常用的IS型离心泵作为研究对象，运用DEM离散元法结合CFD方法，采用EDEM-Fluent耦合，模拟计算离心泵内非稳态固液两相流动，探索泵内固体颗粒群运动规律及其对外特性的影响。计算采用的固体颗粒密度为1500 kg/m3，泵入口固相体积率为15%，粒径在《3.0 mm范围内随机变化。计算得到了固液两相泵随时间的外特性变化，包括泵扬程、泵内固体颗粒体积的变化规律；得到了泵内固体颗粒群的运动轨迹和固相体积率分布等有价值的结果。

 

 

 

图1  计算模型及网格单元

 

（a）正视

（b）侧视

 

图2  泵内固相颗粒群运动轨迹

 

（a）液相

（b）固相

 

图3  泵内固液两相流速场对比（t=0.30s）   

 

    

 

图4 蜗壳内颗粒体积率分布（t=0.35 s）

 

 

2 运用DPM方法进行水泵磨损计算

    离散相模型（DPM）结合半经验磨损模型是固液两相流中常用的磨损计算方法。需要指出的是，该磨损计算方法目前仅适用于稀疏、小颗粒的固液两相流情形，因此本算例也限于该情形的讨论。

    固相颗粒对机械设备材料的磨损量一般可表示为固相颗粒流量、颗粒的冲击角度、颗粒的撞击速度、颗粒粒径、硬度和形状等参数的函数。比较经典的计算模型有Finnie和Tabakoff的磨损模型。近年美国Tulsa大学磨蚀研究中心通过对碳钢和铝的大量磨损测试，得到了包括碰撞速度、碰撞角度、材料的布氏硬度以及颗粒的形状等多参数的磨损模型。该模型是目前使用较为广泛的磨损模型之一，本文也采用该模型进行水泵的磨损计算。

（a）正视

 

 

（b）侧视

 

图5 离心泵内磨损率分布（颗粒粒径：0.20 mm，来流体积率：α=3%）