高雄發(fā) 郜 聰 張德勝 施衛(wèi)東,3 施 亞 王家斌

(1.江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心, 鎮(zhèn)江 212013; 2.江蘇大學(xué)流體機(jī)械溫嶺研究院, 溫嶺 317500;3.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 南通 226000; 4.山東雙輪股份有限公司, 威海 264200)

0 引言

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,伴隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程,工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污水的排放量越來越多,因此,無堵塞泵的需求越來越大[1]。旋流泵,作為一種無堵塞泵,其結(jié)構(gòu)不同于一般離心泵,葉輪位于泵腔一側(cè),或退縮至泵腔后方的腔體內(nèi),沒有葉輪的一側(cè)稱為無葉腔。由于無葉腔的存在,葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí),泵腔內(nèi)同時(shí)形成循環(huán)流和貫通流。這使得泵內(nèi)渦結(jié)構(gòu)變得較為復(fù)雜,而且循環(huán)流會(huì)影響進(jìn)口來流。循環(huán)流的存在,使得大部分介質(zhì)隨著循環(huán)流從無葉腔側(cè)流出,不經(jīng)過葉輪,因此通過性能較好[2-5]。但是,旋流泵的工作效率遠(yuǎn)低于其他型式的葉片泵,且在輸送含有較多大顆粒和長纖維介質(zhì)時(shí),容易出現(xiàn)半堵塞現(xiàn)象[6-7]。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)固液兩相流泵進(jìn)行了大量研究,尤其是在固液兩相CFD(計(jì)算流體力學(xué))數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究方面。文獻(xiàn)[8-10]結(jié)合理論與工程實(shí)際,將CFD-DEM(計(jì)算流體力學(xué)-離散單元法)算法應(yīng)用在攪拌器中,分析了顆粒屬性對(duì)混合動(dòng)力學(xué)的影響,并通過試驗(yàn)證明該方法在旋轉(zhuǎn)機(jī)械模擬中具有一定可靠性。文獻(xiàn)[11]將DEM-CFD方法應(yīng)用在旋流泵的數(shù)值模擬中,結(jié)合固液兩相流試驗(yàn),研究固體顆粒在泵內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特征,發(fā)現(xiàn)有以下3種典型的運(yùn)動(dòng)軌跡:隨貫通流經(jīng)葉輪進(jìn)入蝸殼;受循環(huán)流影響由無葉腔進(jìn)入蝸殼;從葉輪前端進(jìn)入葉輪,隨葉輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)入蝸殼。文獻(xiàn)[12-14]選用油菜籽、小麥、黃豆作為試驗(yàn)顆粒進(jìn)行固液兩相流試驗(yàn),得到了旋流泵在輸送不同濃度固液兩相流時(shí)的性能曲線,并解釋了性能曲線變化與泵內(nèi)部流動(dòng)之間的因果關(guān)系。文獻(xiàn)[15]對(duì)多級(jí)離心漿料泵進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)泵的揚(yáng)程和效率很大程度上取決于漿料中固相濃度。文獻(xiàn)[16]運(yùn)用CFD-DEM耦合模擬計(jì)算離心泵內(nèi)非穩(wěn)態(tài)固液兩相流動(dòng),得到了1.0～3.0 mm顆粒群在離心泵內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡和固相體積率分布。文獻(xiàn)[17]基于CFD-DEM方法,采用多組分密度顆粒,研究不同固相顆粒在葉輪和蝸殼內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)軌跡及其分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)大質(zhì)量顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡更加靠近葉片工作面,而小質(zhì)量顆粒在葉輪內(nèi)部總體分布比較均勻。文獻(xiàn)[18]對(duì)不同包角葉輪進(jìn)行固液兩相數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)顆粒主要在葉輪吸力面中間與前蓋板交界的位置處發(fā)生碰撞,造成磨損。雖然,國內(nèi)外學(xué)者已將CFD-DEM耦合方法廣泛應(yīng)用于固液兩相流泵中,但研究大多集中于單一粒徑顆粒[19-22]。尤其在目前的數(shù)值模擬與試驗(yàn)中,大多以單一粒徑顆粒作為研究對(duì)象,研究結(jié)果與工程應(yīng)用中泵實(shí)際輸送介質(zhì)的情況有所不同。為此,本文選取一款經(jīng)典的旋流式固液兩相流泵,配以折葉片葉輪?；贑FD-DEM耦合方法,采用兩種不同粒徑顆粒等比例混合,按不同體積分?jǐn)?shù)對(duì)此旋流泵進(jìn)行固液兩相流數(shù)值模擬,并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。探索不同粒徑顆粒在旋流式固液兩相流泵內(nèi)的內(nèi)流特征,揭示固相顆粒的運(yùn)動(dòng)分布規(guī)律,為旋流泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

1 模型參數(shù)及分析方法

1.1 幾何模型

以一臺(tái)典型旋流泵為研究對(duì)象,流體域三維模型如圖1所示,其基本設(shè)計(jì)參數(shù)為:流量Qdes(Q)為23.5 m3/h,揚(yáng)程Hdes為3.5 m,轉(zhuǎn)速ndes為1 485 r/min。 旋流泵主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 旋流泵結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of vortex pump

圖1 旋流泵三維示意圖Fig.1 Three-dimensional sketch of vortex pump1.進(jìn)口段 2.無葉腔 3.間隙 4.葉輪 5.蝸殼 6.出口段

1.2 網(wǎng)格劃分

采用ICEM對(duì)旋流泵計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,各部分網(wǎng)格質(zhì)量均在0.33以上。由于本文采用的顆粒粒徑較大,同時(shí)考慮顆粒體積分?jǐn)?shù)的影響,所以網(wǎng)格數(shù)量不能過多。在滿足計(jì)算精度的要求下,設(shè)置3套網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)分別為8×105、1.3×106和 1.8×106。對(duì)這3套網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,在設(shè)計(jì)工況下,采用Realizablek-ε模型,對(duì)單相清水介質(zhì)進(jìn)行仿真計(jì)算。對(duì)比這3套網(wǎng)格下計(jì)算所得揚(yáng)程發(fā)現(xiàn),第1套網(wǎng)格和第2套網(wǎng)格之間的誤差為1.6%,第2套網(wǎng)格和第3套網(wǎng)格之間的誤差為0.61%。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算資源,選取第2套網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。部分計(jì)算域網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格劃分Fig.2 Computational domain meshing

1.3 邊界條件

在數(shù)值模擬之前,需要對(duì)Fluent和EDEM進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置。考慮泵內(nèi)存在渦流和旋流,選用Realizablek-ε模型。Fluent中計(jì)算域進(jìn)口邊界條件采用速度進(jìn)口,出口邊界條件為壓力出口,參考靜壓為1×105Pa。設(shè)置Fluent時(shí)間步長為1×10-4s,總步數(shù)為16 000步,每計(jì)算200步保存一次數(shù)據(jù),收斂精度設(shè)置為10-4。EDEM中顆粒間接觸計(jì)算選用Hertz-Mindlin (no slip) 模型,EDEM的時(shí)間步長一般小于Fluent的時(shí)間步長,且與Fluent時(shí)間步長成整數(shù)倍關(guān)系,同時(shí)需控制其Rayleigh時(shí)長在20%左右。因此,設(shè)置EDEM時(shí)間步長為5×10-6s,每計(jì)算0.005 s保存一次數(shù)據(jù),總計(jì)算時(shí)間為1.6 s。

1.4 試驗(yàn)顆粒及物性參數(shù)

本文采用油菜籽、黃豆作為計(jì)算顆粒,根據(jù)對(duì)這兩種實(shí)物顆粒的觀察與測(cè)量結(jié)果,在EDEM中進(jìn)行等比例建模,試驗(yàn)顆粒如圖3所示。其中油菜籽等效粒徑為1.6 mm,黃豆等效粒徑為4 mm。

圖3 試驗(yàn)顆粒Fig.3 Test particle

在離散元仿真計(jì)算時(shí),為確保數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性,同時(shí)最大限度貼合實(shí)際試驗(yàn),需要在EDEM中設(shè)置仿真材料的物性參數(shù)。所需的物性參數(shù)包括顆粒和材料固有物性參數(shù)以及不同材料之間的接觸參數(shù),如:顆粒-顆粒碰撞恢復(fù)系數(shù)、顆粒-有機(jī)玻璃碰撞恢復(fù)系數(shù)、顆粒-有機(jī)玻璃靜摩擦因數(shù)、顆粒-有機(jī)玻璃滾動(dòng)摩擦因數(shù)[23]。根據(jù)仿真試驗(yàn),結(jié)合真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果,得到上述4種接觸參數(shù)。完整參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)顆粒物性參數(shù)及接觸參數(shù)Tab.2 Property parameters and contact parameters of test particles

1.5 時(shí)間無關(guān)性分析

為確保分析的可靠性,需要對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行時(shí)間無關(guān)性分析。在蝸殼出口截面設(shè)置統(tǒng)計(jì)區(qū)域,統(tǒng)計(jì)不同時(shí)間下,通過此區(qū)域的顆粒數(shù)量,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。0.9 s前顆粒數(shù)量波動(dòng)較大,這是由于泵剛啟動(dòng),流動(dòng)介質(zhì)在泵內(nèi)未完成完整的循環(huán)。1.3 s后,顆粒通過數(shù)量趨于穩(wěn)定。同時(shí)考慮到計(jì)算時(shí)長,選定1.4 s時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖4 時(shí)間無關(guān)性驗(yàn)證Fig.4 Time independence test and verification

1.6 正則化螺旋度

正則化螺旋度定義為速度與渦量的點(diǎn)積和速度與渦量的模的比值,可用于判斷渦核旋轉(zhuǎn)方向,其表達(dá)式為

式中ν——速度矢量ω——渦量矢量

在渦核區(qū)域,速度矢量方向與渦量矢量方向近乎平行,正則化螺旋度Hn值趨近于±1。其中正負(fù)表明渦旋轉(zhuǎn)方向,以流動(dòng)方向?yàn)檎较?Hn為正,渦旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向;Hn為負(fù),渦旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針方向[24-25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 進(jìn)口管內(nèi)流動(dòng)分析

本研究型號(hào)旋流泵工作原理與常規(guī)離心泵有所不同,其工作時(shí),從無葉腔產(chǎn)生一股回流延伸至進(jìn)口管,并在進(jìn)口管內(nèi)與進(jìn)口來流相互作用,在某一位置處達(dá)到平衡狀態(tài),進(jìn)口的螺旋回流,導(dǎo)致進(jìn)口來流過流面積減小,整泵能量損失較大。因此,對(duì)進(jìn)口流態(tài)的研究,弄清進(jìn)口的流動(dòng)特性尤為重要。如圖5所示,以進(jìn)口管與無葉腔交界處為初始截面,間隔60 mm取截面,對(duì)進(jìn)口管內(nèi)流態(tài)進(jìn)行分析。

圖5 進(jìn)口管截面示意圖Fig.5 Section diagram of inlet pipe

圖6、7分別為Q工況下,進(jìn)口管內(nèi)渦量云圖和正則化螺旋度云圖。從圖6中可以發(fā)現(xiàn),進(jìn)口管近壁面處存在較大的渦量,而中心區(qū)域渦量較小。從進(jìn)口側(cè)向無葉腔側(cè)的過程中,進(jìn)口管近壁面渦量逐漸增大,影響區(qū)域也逐漸增大,中心區(qū)域受影響范圍逐漸減小。這是因?yàn)榭拷鼰o葉腔側(cè),受到無葉腔內(nèi)循環(huán)流影響最為嚴(yán)重,隨著與無葉腔距離增加,循環(huán)流的影響逐漸減弱。

圖6 進(jìn)口管不同截面渦量云圖Fig.6 Vortex cloud diagram of different sections of inlet pipe

為進(jìn)一步分析進(jìn)口管內(nèi)旋渦結(jié)構(gòu),引入正則化螺旋度。它可以準(zhǔn)確地反映主渦與二次渦流動(dòng),描述旋渦形態(tài)及其變化規(guī)律。如圖7所示,從進(jìn)口側(cè)至無葉腔側(cè),截面上渦核分布較為分散,向無葉腔側(cè)靠近,渦核分布開始向中心聚攏。在無葉腔側(cè)截面上,中心渦核最小,但是近壁面區(qū)域開始產(chǎn)生較大的旋渦結(jié)構(gòu),并且此旋渦旋轉(zhuǎn)方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同。

圖7 進(jìn)口管不同截面Hn云圖Fig.7 Hn cloud diagram of different sections of inlet pipe

2.2 不同工況下葉輪前端面流態(tài)分析

為研究流體從無葉腔至葉輪輸送過程中的流動(dòng)狀況,在混合體積分?jǐn)?shù)為5%情況下,對(duì)0.6Q～1.6Q工況進(jìn)行研究。截取葉輪進(jìn)口前端面向內(nèi)1 mm處截面,繪制二維速度流線圖。如圖8所示,在小流量工況(0.6Q),葉輪進(jìn)口處出現(xiàn)了不同大小的旋渦,增大流量至Q,葉輪中的旋渦逐漸向葉片折角處靠近。繼續(xù)增大流量至1.4Q,葉輪中旋渦數(shù)量繼續(xù)減少,影響范圍進(jìn)一步縮小,旋渦位置穩(wěn)定在葉片壓力面折角處附近。當(dāng)流量增大至1.6Q時(shí),葉輪內(nèi)旋渦基本消失。

圖8 不同工況葉輪前端面流動(dòng)特征Fig.8 Flow characteristics of impeller front face under different working conditions

由于此截面靠近無葉腔,受無葉腔中循環(huán)流的影響較大,流道內(nèi)流線出現(xiàn)不同程度的紊亂,發(fā)生流動(dòng)分離,小流量工況下尤其明顯。這是由于小流量工況下,泵腔內(nèi)循環(huán)流占主導(dǎo),在進(jìn)口管內(nèi)產(chǎn)生回流,緊貼進(jìn)口管壁面旋轉(zhuǎn),占據(jù)進(jìn)口過流面積。同時(shí)與進(jìn)口來流發(fā)生相互作用,而此時(shí)進(jìn)口來流速度較小,軸向旋渦較大,部分流體從流道中脫落。隨著流量增大至Q,進(jìn)口管內(nèi)回流與來流相互作用增強(qiáng),同時(shí)因流量增大,進(jìn)口來流對(duì)泵腔內(nèi)的沖擊作用增強(qiáng),抑制了無葉腔中的部分旋渦,但是葉輪第2段折角過大,流體跟隨性較差,因此流道內(nèi)產(chǎn)生了較多旋渦。流量增至1.6Q時(shí),進(jìn)口管內(nèi)螺旋回流被抑制,進(jìn)口流速增大,進(jìn)口來流對(duì)泵腔內(nèi)的沖擊達(dá)到最強(qiáng)。無葉腔中的絕大部分旋渦被抑制,因此葉輪流道內(nèi)無明顯旋渦。

2.3 無葉腔側(cè)固相顆粒分布

由于輸送的顆粒為油菜籽和黃豆混合的顆粒,為探究其在輸送過程中無葉腔側(cè)混合顆粒的濃度分布情況,以無葉腔及其外緣部分為研究對(duì)象,以距離無葉腔前端面1 mm處為基準(zhǔn),指向葉輪前端面。沿軸向等截距切分,截距為6 mm,劃分為C1、C2、C3 3部分。切分示意圖如圖9所示。

圖9 截面及切分示意圖Fig.9 Cross-section and segmentation diagram

將這3組切片按照6 mm為增量,由內(nèi)向外切分為14份同心圓環(huán)(圖10)。按照不同的徑向尺寸,將圓環(huán)分為中心部、中間部和外緣部3個(gè)區(qū)域。如圖9所示(中心部:對(duì)應(yīng)吸入口范圍0～54 mm;中間部:對(duì)應(yīng)葉輪影響范圍54～126 mm;外緣部:葉輪外徑至壓水室邊緣范圍126～162 mm),提取各個(gè)切片和不同圓環(huán)內(nèi)的顆粒數(shù)。以無量綱量NN表征某個(gè)區(qū)域內(nèi)的顆粒濃度,公式為

式中Nx——切片圓環(huán)內(nèi)的顆粒數(shù)

Ni——切片內(nèi)顆粒總數(shù)

如圖11所示,旋流泵在輸送混合顆粒時(shí),各切片中心部濃度均為最高。隨著徑向距離增加,顆粒濃度開始下降,并在中間部與外緣部交界處達(dá)到濃度最低點(diǎn)。從交界處開始,向外緣部方向,顆粒濃度逐漸上升。這是因?yàn)轭w粒從進(jìn)口段進(jìn)入到無葉腔內(nèi),一部分受循環(huán)流影響從無葉腔回流到進(jìn)口管,再隨進(jìn)口來流進(jìn)入泵腔。一部分直接隨進(jìn)口來流,流向葉輪方向,沖擊葉輪進(jìn)口,所以中心部顆粒濃度較高。而外緣部由于靠近壓水室近壁面,顆粒容易在此積聚,因此濃度稍有上升。從C3至C1切片,顆粒整體濃度呈遞減趨勢(shì),而黃豆顆粒尤為明顯。

圖11 無葉腔不同切片處顆粒濃度Fig.11 Particle concentration at different sections of vaneless cavity

2.4 葉輪內(nèi)部固相顆粒分布

圖12為額定轉(zhuǎn)速和額定流量時(shí),輸送體積分?jǐn)?shù)5%混合顆粒的葉輪內(nèi)顆粒分布圖,以速度梯度對(duì)顆粒進(jìn)行染色。為分析折葉片旋流泵葉輪內(nèi)部混合顆粒分布情況,同時(shí)考慮到黃豆顆粒的體積較大,故將葉輪沿葉片寬度對(duì)半切分,分成前半部分和后半部分,每部分厚度均為11 mm。觀察圖12可知,葉輪前半部分整體顆粒要少于后半部分。其中黃豆顆粒在前半部分葉輪流道中分布較少,大部分集中于葉輪進(jìn)口中下部。油菜籽顆粒在葉輪流道中沿第1段折邊壓力面分布,緊貼第1段折邊運(yùn)動(dòng)。而葉輪后半部分顆粒數(shù)量較多,黃豆顆粒和油菜籽顆粒均沿第1段折邊壓力面分布并沿其運(yùn)動(dòng),葉輪進(jìn)口處顆粒局部聚集明顯。同時(shí)觀察到,葉輪無論前半部分抑或后半部分,顆粒在其第2段折邊處并未緊貼葉片運(yùn)動(dòng),而是從折角處開始,沿著第1段折邊以拋物線形式甩出葉輪,進(jìn)入到蝸殼內(nèi)部。造成這種分離現(xiàn)象,主要原因?yàn)轭w粒進(jìn)入葉輪隨葉輪旋轉(zhuǎn),從葉輪獲得能量,速度逐漸增大。當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)至折點(diǎn)處,由于第2段折邊向后偏折角度過大,顆粒不能繼續(xù)從中葉輪獲得能量。同時(shí)受到液流的影響,因此開始沿拋物線向后運(yùn)動(dòng)。

圖12 葉輪前后部混合顆粒分布Fig.12 Distribution of mixed particles in front and rear of impeller

2.5 試驗(yàn)外特性

為得到折葉片旋流泵實(shí)際性能,同時(shí)驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,開展了相應(yīng)的固液兩相流試驗(yàn)。試驗(yàn)泵采用有機(jī)玻璃制作,便于可視化試驗(yàn)的拍攝。本試驗(yàn)在開式試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行,如圖13所示,試驗(yàn)臺(tái)由開式水箱、攪拌器、試驗(yàn)泵、進(jìn)出口閥門及相應(yīng)管路組成。采用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速和軸功率。轉(zhuǎn)矩量程為20 N·m,轉(zhuǎn)速量程為6 000 r/min。進(jìn)口壓力變送器測(cè)量范圍-50～50 kPa,出口壓力變送器測(cè)量范圍0～150 kPa,泵出口流量由電磁流量計(jì)實(shí)時(shí)顯示。試驗(yàn)顆粒選用油菜籽與黃豆按照各50%進(jìn)行混合后的混合顆粒,在顆粒體積分?jǐn)?shù)3%、5%下進(jìn)行不同流量工況的試驗(yàn)。

采用高速攝影技術(shù)對(duì)進(jìn)口管中的螺旋回流現(xiàn)象進(jìn)行拍攝。高速攝影機(jī)型號(hào)為MotionPro Y4,試驗(yàn)時(shí)設(shè)置拍攝速率為1 500 f/s,每個(gè)工況拍攝3 s,重復(fù)拍攝3次。

圖14為折葉片旋流泵輸送清水,體積分?jǐn)?shù)3%、5%混合顆粒時(shí)的試驗(yàn)外特性曲線。與清水工況相比,加入混合顆粒后,揚(yáng)程和效率均明顯下降。且揚(yáng)程和效率隨混合顆粒體積分?jǐn)?shù)增大而下降。加入混合顆粒后,流體與顆粒間的粘性摩擦力加大,泵內(nèi)的摩擦損失較大,這導(dǎo)致泵內(nèi)產(chǎn)生較大的流動(dòng)損失。同時(shí),顆粒在泵內(nèi)運(yùn)動(dòng),需要流體不斷提供能量,隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)增加,所需的能量也增大,因此,旋流泵輸送固體顆粒的性能比清水的低。

圖14 試驗(yàn)旋流泵外特性曲線Fig.14 External characteristic curves of vortex pump

2.6 不同工況下進(jìn)口管螺旋回流試驗(yàn)對(duì)比

旋流泵結(jié)構(gòu)簡單,但是內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜。由于無葉腔中循環(huán)流的存在,其運(yùn)行時(shí),進(jìn)口管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一定長度的螺旋回流,導(dǎo)致進(jìn)口過流面積減小,水力損失較大。因此,本試驗(yàn)采用高速攝影技術(shù)捕捉進(jìn)口管中的螺旋回流現(xiàn)象,對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果,并驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可行性。圖15為試驗(yàn)泵進(jìn)口段,進(jìn)口管總長42 cm,上方設(shè)有標(biāo)尺,方便觀察比較不同工況下進(jìn)口管內(nèi)螺旋回流長度。

圖16為0.6Q～1.6Q工況,折葉片旋流泵輸送混合顆粒時(shí)的進(jìn)口管拍攝結(jié)果。由圖16可以看出,不同流量工況下,進(jìn)口管中始終存在一股流體介質(zhì)從泵腔回流至進(jìn)口段。該股回流的旋轉(zhuǎn)方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向一致。將進(jìn)口管中的大部分顆粒卷起,繞著進(jìn)口管壁面做螺旋回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),其中,體積較小的油菜籽顆粒尤為明顯。其與進(jìn)口來流相互作用,在某一位置達(dá)到平衡。從試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),在0.6Q工況下,回流長度最長,達(dá)到37 cm,幾乎占據(jù)整個(gè)進(jìn)口管;增大流量至0.8Q,回流長度回縮至30 cm處,并與進(jìn)口來流的對(duì)沖下達(dá)到平衡;繼續(xù)增大流量至Q,回流與進(jìn)口來流激烈對(duì)沖碰撞并在20 cm處趨于平衡,進(jìn)口管內(nèi)回流長度回縮明顯;當(dāng)流量達(dá)到1.2Q時(shí),回流長度進(jìn)一步縮短,長度為15 cm;當(dāng)流量加大至1.4Q時(shí),進(jìn)口來流速度較大,其與回流平衡位置進(jìn)一步向無葉腔側(cè)靠近,此時(shí)回流長度為10 cm;當(dāng)流量加大至1.6Q時(shí),進(jìn)口來流速度已達(dá)試驗(yàn)最大值,進(jìn)口管中回流已不明顯,僅在靠近無葉腔側(cè)存在一小段,長度僅4 cm。這是因?yàn)殡S著流量增大,貫流速度增大,在轉(zhuǎn)速不變的情況下,泵內(nèi)軸向旋渦被削弱,進(jìn)口螺旋回流被無葉腔壓縮,因此螺旋回流長度不斷縮短。

2.7 進(jìn)口管旋流現(xiàn)象驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真模擬的可靠性,選取模擬結(jié)果進(jìn)口管中旋流現(xiàn)象與高速攝影試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。圖17為Q工況下,體積分?jǐn)?shù)5%混合顆粒模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。分析發(fā)現(xiàn),數(shù)值模擬的進(jìn)口螺旋回流平衡位置與旋轉(zhuǎn)特征,與試驗(yàn)結(jié)果大致吻合,基于CFD-DEM數(shù)值模擬結(jié)果具有一定的可靠性,能夠較好地展示泵內(nèi)固相顆粒運(yùn)動(dòng)分布情況。

圖17 混合顆粒旋流現(xiàn)象驗(yàn)證Fig.17 Verification of swirling phenomenon of mixed particles

3 討論

本文基于CFD-DEM耦合模型,采用油菜籽與黃豆等比例混合作為顆粒介質(zhì),在不同流量工況及體積分?jǐn)?shù)下,對(duì)旋流泵進(jìn)行了固液兩相流計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證研究。獲得不同工況下旋流泵進(jìn)口管內(nèi)的流動(dòng)特性、葉輪前端面速度分布特征;分析旋流泵主要過流部件內(nèi)顆粒分布情況;開展對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的試驗(yàn)驗(yàn)證。

由于本文在數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)采用黃豆和油菜籽等比例混合,未設(shè)置不同混合比例的對(duì)照組,而實(shí)際情況下旋流泵輸送的介質(zhì)中固相組成較為復(fù)雜。因此,后續(xù)的試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算可設(shè)置多組不同混合比例的對(duì)照組,研究混合顆粒在泵內(nèi)的輸送情況。同時(shí),在試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),黃豆顆粒在長時(shí)間浸泡后變得松散,容易破裂,需盡快更換試驗(yàn)介質(zhì)顆粒。后期可以根據(jù)實(shí)際情況,定制不同尺寸顆粒,以達(dá)到最佳拍攝效果。

4 結(jié)論

(1)折葉片葉輪流道內(nèi)的旋渦主要存在于葉片第1段折邊處,從小流量工況到額定工況,再到大流量工況,流道內(nèi)旋渦數(shù)量先增加后減少,最終消失。且隨著流量增大,旋渦逐漸向葉片工作面折角處靠攏。

(2)折葉片旋流泵在輸送混合顆粒時(shí),循環(huán)流和貫通流共同作用,顆粒濃度在無葉腔中呈現(xiàn)出中心部向中間部逐漸降低、在外緣部略上升的趨勢(shì)。

(3)輸送混合顆粒時(shí),由于黃豆顆粒密度較大,在進(jìn)口管內(nèi)貼近管底向前運(yùn)動(dòng),油菜籽顆粒密度與水相近,均勻分布于進(jìn)口管內(nèi)。在循環(huán)流的作用下,固相顆粒沿進(jìn)口管壁面旋轉(zhuǎn)進(jìn)入泵進(jìn)口。隨著流量增大,進(jìn)口管內(nèi)螺旋回流長度逐漸減小。循環(huán)流的存在,導(dǎo)致進(jìn)口過流面積減小,能量損失增大,但是泵的抗堵塞性能和通過性能提高。

(4)基于離散元單元法的CFD-DEM耦合算法能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算混合顆粒在旋流泵內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)問題,數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。