固液两相流离心泵流动特性及磨损问题研究进展

李伟，潘云欣，李昊明，齐寒东，吴普，路德乐

(1. 江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013；

2. 江苏大学镇江流体工程装备技术研究院，江苏 镇江 212009)

离心泵作为一种重要的流体输运设备，广泛应用于国民经济中各产业部门，如石油工业、化工、食品工业及农业灌溉等[1].由于流体介质中含有固体杂质颗粒，且设备持续运行时间长，离心泵在输运浆料或含沙水等介质时，普遍存在过流部件磨损情况.当磨损发展到一定程度时，离心泵的使用性能将严重降低，运行可靠性无法得到保证[2].

目前国内外学者针对离心泵固液两相流动从试验和数值计算两方面进行了大量深入的研究.但由于固液两相流泵大多基于清水介质进行初始设计，至今对于固液两相流这种特殊流动工况，行业内还未形成成熟的设计方法，导致泵效率低、寿命较短[3].基于此，文中将从固液两相流动特性和磨损问题2方面展开，综述并分析离心泵内固液两相流动特性及磨损机理的国内外研究现状及进展，展望未来离心泵固液两相流动研究趋势和减少磨损的方法，以期为固液两相流离心泵的设计和提高运行可靠性提供一定的参考.

1.1 研究方法

1.1.1 可视化试验

由于颗粒在离心泵中与流体相互作用，运动形式较为复杂，尤其是涉及颗粒在叶轮中的运动，利用试验手段直接获取颗粒的运动轨迹成为研究离心泵内颗粒运动的主要方式.高速摄影作为一项成熟的技术，获得了国内外诸多学者的青睐.配合透明亚克力材料或者有机玻璃制成的离心泵叶轮、蜗壳以及前后盖板等主要部件，结合计算机处理可以获取不同物理参数颗粒在各个泵部件的运动轨迹.许洪元等[4]采用高速摄影获取到了不同粒径、不同密度颗粒在2种转速条件下叶轮内的运动轨迹.TAN等[5]用透明亚克力材料制造叶轮和蜗壳，借助高速摄影技术观察到了大尺寸颗粒在双流道离心泵中的运动规律，如图1所示.为便于观察，叶轮前盖板采用透光性较好的有机玻璃材料，魏进家等[6]首次利用高速摄影获得了离心泵闭式叶轮内颗粒的运动情况.高速摄影技术一直沿用至今，在可视化试验领域获得巨大成功.

图1 泵内颗粒分布

随着计算机技术和数码相机技术的发展，粒子图像测速技术(particle image velocimetry，PIV)得到了迅速发展.目前，PIV技术可以实现全场无接触的瞬时测量，具有较高的测量精度.但PIV拍摄系统的性能与流场算法和图像处理方法有着密切关系，例如SHI等[7]在高转速离心叶轮中进行固液两相流PIV拍摄时发现，因固相颗粒识别和流场算法的问题导致测量精度低，于是提出一种自适应交叉相关窗变形算法与多级网格细分相结合的理论，并采用基于粒度和灰度数据的固液两相识别处理方法，满足了高速离心叶轮中固液两相流PIV拍摄的精确度和可靠性要求.杨敏官等[8]采用PIV技术成功对叶轮中伴有盐析的固液两相流场进行了测量，并系统介绍了图像的处理方法，这表明现有技术能够准确分辨流场中固相颗粒和示踪粒子.

除此之外，脉冲多普勒测速技术也被应用在测量颗粒运动速度分布上，GARMAN等[9]在沿蜗壳螺旋段周向布置超声波传感器，获取到蜗壳各截面上颗粒运动速度分布情况，与数值计算结果进行对比，吻合度较好.

1.1.2 数值计算模型

受限于目前试验技术水平，并不能依靠试验手段完全掌握离心泵内固液两相流动特性.随着计算机水平的不断发展以及数值计算理论方法的日益成熟，基于计算流体动力学(CFD)的分析方法越来越多地运用在流体机械等领域的研究中.近十几年来国内外研究人员运用CFD方法在涉及离心泵内部固液两相流动特性等领域开展了大量研究分析工作.目前分析两相流动的数值理论方法主要有欧拉-欧拉方法(也称双流体模型)和欧拉-拉格朗日方法2种[10].欧拉-欧拉方法模拟固液两相流时，将固相颗粒近似作拟流体处理，即作为连续相；
而欧拉-拉格朗日方法则将固体颗粒作为离散相进行处理，追踪每个颗粒的运动轨迹.由此，衍生出3种较为成功的多相流模型[11]：基于欧拉-欧拉方法的Mixture模型、基于欧拉-拉格朗日方法的离散相模型(DPM)、基于欧拉-拉格朗日方法的离散元模型(DEM).这3种多相流模型各有优缺点：Mixture模型可用于模拟不同速度强耦合的多相流动，但不适用于大颗粒稀相条件；
DPM方法可以有效得到浓度较低情况下不均匀分布颗粒的不同运动状态，适用于求解稀相颗粒运动问题，但它忽略了颗粒与颗粒之间的相互作用力和颗粒对流体的反作用力，因此不适用于颗粒体积大而多的情况；
DEM方法是一种模拟颗粒群运动的方法，通过与CFD模拟耦合，可以建立一种更加准确的数值模型来研究颗粒在泵内的流动和对水力部件的磨损，但它对计算机内存和CPU的要求较高，因而更适合低浓度且物理模型较为简单的情况.在不同研究背景下，颗粒相模型的选择有所区别.

吴玉林等[12]受到大涡模拟中滤波函数的启发，在多相双流体模型基础上建立了大涡模拟运动方程，并采用此方法模拟了离心泵叶轮内颗粒相的分布情况并与试验结果进行了对比.ROCO等[13]提出应用于泥浆管道流动模拟的动能湍流模型，该模型能够通过极小的两相流分析将实验室数据放大到真实流动情况.ABOU-ARAB等[14]在ROCO的基础上提出了一种新的多相湍流闭合模型，采用特殊的双时间平均法，在不采用任何调整经验系数的情况下，用其他模式和各种两相流的试验数据来检验所提出的模型，结果表明，液-固射流和气-固管流的预测结果与试验结果吻合较好.SCHILLING等[15]利用欧拉-拉格朗日方法模拟了离心泵叶轮内的颗粒(体积分数5%，平均粒径100 μm)运动轨迹并分析了叶轮叶片的磨损量.LEI等[16]将固相颗粒视为离散相，运用欧拉-拉格朗日方法分析了在叶片受到不同程度磨损的情况下，离心泵的外特性变化和磨损位置改变情况.TARODIYA等[17]对输送泥沙水的离心式渣浆泵颗粒相分别采用Mixture模型和Eulerian-Eulerian模型进行描述，通过将模拟值与试验结果对比发现，采用Eulerian-Eulerian模型计算得出的扬程和效率值精确度更高.

近年来，随着离散元方法(DEM)的成熟，越来越多的研究者开始采用CFD-DEM耦合计算方法研究泵内部的固液两相流动.李亚林[18]利用CFD-DEM方法分析了脱硫泵内部固相流动情况.章和兵[19]对简化过后的颗粒在离心泵叶轮流道内的运动碰撞进行了离散元分析，并探究了磨损机理.

除此之外，部分学者采用其他方法，如阎超等[20]对固相采用代数颗粒流(AP)模型模拟了离心叶轮内固液两相流场，模拟结果与试验结果相吻合.魏进家等[21]为模拟离心泵叶轮内的固液两相流动建立了KET模型以封闭密相固液两相流湍流方程组，并结合了有关固相浓度的DIPSAR算法，其模拟计算结果与高速摄影试验的结果相符合.

目前多相流介质模拟主要用于定性分析，判别多相流场的发展趋势，局部细节的模拟略显不足，相关计算参数需在试验数据的支撑下不断修正以提高模拟结果的可靠性.

1.2 外特性研究

GANDHI等[22]在2台不同尺寸的离心泵上，通过试验研究了3种不同粒径分布的颗粒对泵扬程、效率及功率特性的影响.研究发现，扬程比率和效率比率不仅受到颗粒体积分数的影响，同时还受颗粒粒径分布特性的影响，随着泵尺寸的增大，颗粒造成的能量损失影响将减小.SELLGREN等[23]对一台安装有4叶片导叶的离心泵进行了含沙水的两相流性能试验，结果表明，随着流速的降低，泵的固体效应增加，即泵的扬程和效率较清水工况有明显的下降，这与WILSON等[24]的研究结果趋势上相吻合.CHENG等[25]采用欧拉多相流模型模拟了不同叶片数、不同颗粒直径及不同固相体积分数对熔盐泵流动性能的影响.研究发现，随着颗粒直径的增大，泵的扬程和效率随着颗粒统计分数的增加而急剧下降.在特定颗粒直径的情况下，泵两相流的扬程和效率甚至高于清水工况.李伟等[26]基于全因子试验设计对固液两相流条件下碱液循环泵的外特性进行定量数值预测.KUMAR等[27]对比了在有无细煤灰颗粒掺混情况下离心泵输送底灰渣时的性能特性，发现在掺混细煤灰颗粒时，泵因输送两相介质引起的额外扬程损失减少了，表明细颗粒的加入减少了混合相的相对黏度.

通过大量试验研究和数值模拟可以发现，尽管各个研究案例中涉及的固相颗粒参数及泵运行工况有所不同，但结果显示固相介质的存在将普遍导致离心泵扬程及效率不同幅度的降低.

1.3 颗粒运动及分布特性

离心泵是一种常见的旋转机械，内部流动复杂，叶轮和蜗壳的动静干涉作用强烈，在涉及固液两相流动时，其内部流动的复杂性进一步加剧.固体颗粒在离心泵内的运动及分布，一直是国内外研究离心泵固液两相流动的学者所关注的重要研究方向之一.

1.3.1 不同颗粒体积分数的运动分布

SHI等[28]在颗粒相体积分数为10%，20%和30%这3种不同工况下，研究了低比转数离心泵的固液两相流动，将模拟得出的流动特性与清水工况进行了对比分析，获得了泵内颗粒相的分布，如图2所示，图中p为压力.KADAMBI等[29]采用玻璃微珠作为固相颗粒，在体积分数为2.5%和5.0%条件下，分别对725 r/min和1 000 r/min这2种转速下离心泵隔舌位置处的固液两相流场进行了PIV拍摄，获取到了两相流场的速度分布云图以及动能的脉动云图.研究表明，随着转速增加，两相流场的脉动动能显著增加，叶片压力面、隔舌及蜗壳壁面受到颗粒的定向冲击更为显著，且隔舌下半部分比上半部分更容易遭受磨损，由脉动动能引起的颗粒随机碰撞是造成叶轮和蜗壳磨损的主要原因.曹卫东等[30]采用双流体模型，计算了固相体积分数分别为0和20%、固液两相密度比为1.468时，两级离心泵内部三维非稳态固液两相流动.结果表明，固相的加入会降低多级泵的出口压力，且对于液相流场具有一定影响，流场中固体颗粒的分布与其所在流场区域有相应关系.

图2 压力分布图

1.3.2 不同颗粒粒径的运动分布

LIU等[31]分析了烟气脱硫系统中脱硫泵输送石灰石浆液时的流动特性，采用WEN-YU曳力模型考虑了固液两相间的能量交换.研究发现，CaCO3颗粒主要集中分布在叶片压力面，吸力面分布相对较少；
颗粒体积分数的改变对泵内颗粒分布的影响作用较小，而粒径对颗粒分布情况有较大影响；
进出口压差随着体积分数的增加而增大，随着粒径的增加而减小.如图3所示，董文龙等[32]采用DPM方法模拟了离心泵输送大粒径颗粒的两相流动，研究考虑了大粒径颗粒在流场运动的巴塞特效应，得到了在小浓度情况下大尺寸颗粒在离心泵内的运动情况及流场分布，研究表明，随着粒径dp的增大，颗粒在叶轮中运动的速度也越大，并逐步偏离叶片工作面运动.

图3 不同粒径下粒子轨迹图

1.3.3 叶片不同区域的颗粒运动分布

许多研究发现，大部分颗粒在离心叶轮中都有朝着叶片压力面一侧运动的趋势，并且随着颗粒质量和密度的增加，这种趋势将更加显著.MEHTA等[33]对离心泵叶轮内部的固液两相流场进行了PIV拍摄，除了流场的绝对速度分布外，还获取到了两相流场的相对速度分布图，研究表明颗粒在叶片压力面上滑动，导致了叶片表面的摩擦磨损.在TARODIYA等[34]对离心式渣浆泵的研究中还发现，叶轮后盖板、叶片压力面以及蜗壳非吸入侧壁面的固相体积分数相比其他位置处高，叶轮各截面颗粒分布如图4所示，图中α为量纲为一的固相体积分数.

图4 叶轮流道内部各截面颗粒分布图

2.1 磨损机制

离心泵在输送泥沙水或是煤渣颗粒等两相介质时，固体颗粒会不断冲击泵内各过流部件表面造成磨损，不同位置磨损的程度和机制各不相同，主要取决于颗粒与壁面碰撞时的冲击角度和速度.目前，泵内主要的几种磨损作用机制可参考STACHOWIAK等[35]总结的4种模式，如图5所示，包括滑移切削、表面脆性裂纹、表面塑性变形以及表面脆性破碎.

图5 不同磨损机制示意图

2.2 磨损预测模型

研究离心泵固液两相流的磨损也是从试验研究开始的，AIMING等[36]对离心泵叶轮输送固液两相流时的磨损量进行了试验研究，经过3 000 h的磨损测试，得到了整个叶轮的重量损失、叶片厚度减小量.另外，为获取叶轮磨损失效机制，对磨损区域进行了扫描电镜分析.KHALID等[37]设计了用于叶轮磨损测试的试验装置，通过将叶轮在固液两相介质中的浆液中旋转从而测试出叶轮的磨损情况.试验采集了经磨损后的叶轮质量损失、叶轮外径、叶轮厚度、叶片高度的变化值.

受限于固液两相流测试装置的复杂程度，现有条件下测试精度还达不到要求，另外磨损测试将对测试件造成不可逆的破坏，相关试验的消耗成本很高，因此有关固液两相流下离心泵磨损的相关试验研究相对较少.

随着有关固液两相流动的数值计算方法的不断进步，近年来国内外学者普遍开始借助数值模拟手段来预测颗粒对泵内壁面磨损情况，获得不少研究成果.目前较为普遍采用的磨损预测模型主要有以下几种：

1) Finnie模型

(1)

其中，

式中:E为磨损量量纲为一的参数；
vp为固体颗粒撞击速度；
f(γ)为关于颗粒撞击角度的量纲为一的函数；
固相颗粒撞击角度的单位为弧度，其值为颗粒与避免碰撞接触时所成的角度；
指数n由壁面材料性质决定，对于常用的金属材料其取值为2.3～2.5.

2) Oka模型

(2)

其中，

f(α)=(sinα)n1[1+Hv(1-sinα)]n2,

式中：ρw为目标材料密度；
Hv为目标材料的维氏硬度；
dp为固体颗粒粒径；
d′为参考粒径；
v′为固体颗粒撞击速度的参照速度；
up为粒子与壁面间的相对速度；
k0，k1，k2,k3为材料的指定系数.

3) Ahlert模型

(3)

其中，

式中：A为常数，对于碳钢材料其取值为15.59×10-7；
α0为参照角度，通常取值为15°；
n=1.73；
Fs为固相颗粒形状因子，当颗粒为球形时取值为0.2，类球形取值0.5，形状尖锐时取值为1.0；
HB为目标材料的布氏硬度.

磨损计算需要追踪每个颗粒的运动轨迹，所以目前主要利用离散相模型来进行模拟计算.

2.3 颗粒参数对磨损的影响

2.3.1 粒径对磨损的影响

ZHANG等[38]发现颗粒浓度、粒径和密度对泵的水力性能有很大影响，随着颗粒直径或浓度的增加，泵扬程和效率都会降低，叶片的吸入侧比压力侧受到更严重的磨损.SHEN等[39]基于DPM模型和Mclaury磨损模型，采用三维定常全流场模拟分析了一台用于抽黄河水灌溉的双吸泵输送含沙水时的磨损情况，研究了颗粒粒径、体积分数和颗粒形状对磨损的影响，并剖析了不同区域磨损的作用机理.结果发现磨损率随着粒径的增大而增大，并与颗粒形状因子呈正相关.本课题组成员也对不同粒径下的叶片磨损进行了研究，发现随着粒径dp的增大，压力面与后盖板交界处的磨损更为严重，如图6所示.

图6 不同颗粒粒径下压力面的磨损分布

2.3.2 颗粒体积分数对磨损的影响

汪家琼等[40]运用Particle和非均相模型模拟了颗粒体积分数为1%时不同颗粒粒径对离心泵磨损的影响.随着粒径的增大，颗粒不断向叶片压力面集中，叶轮内主要磨损在叶片进出口边及叶片的中后部，蜗壳的磨损集中于螺旋起始段隔舌处附近.赵伟国等[41]基于DPM模型分析了离心泵输送含沙水时沙粒体积分数对过流部件的磨损影响.研究表明，随着沙粒体积分数的增加，离心泵过流部件的磨损强度逐渐增大，且磨损部位主要集中在叶片进口边、叶片背面、叶片工作面靠近叶片出口的位置，沙粒运动轨迹逐渐趋于紊乱，离心泵的扬程和效率逐渐降低.

2.3.3 其他因素对磨损的影响

除了固相参数，许多外部因素对泵的磨损状况也有一定的影响.NOON等[42]对制碱工业中输送石灰浆液的流程泵进行了磨损分析，考虑了输送两相介质温度变化对磨损的影响，模拟结果显示蜗壳的隔舌和腹部区域的磨损较为严重，随着温度的升高，磨损情况将进一步加剧.GANDHI等[43]通过在蜗壳内壁面嵌入磨损测试样本，经过2 h运行后测试出了蜗壳不同位置处的磨损量.分析试验数据发现，泵运行流量接近最高效率点时，蜗壳的磨损量小于小流量工况下的磨损量，即运行在最高效率点时，泵的运行寿命可能更长.TARODIYA[44]采用基于DPM模型的三维非定常流动计算模拟了离心泵内部的固液两相流动特性及磨损规律，在不同工况和固相参数条件下获取了蜗壳不同位置的磨损量和颗粒分布，创新地定量分析了颗粒冲击速度对蜗壳磨损率的影响，图7显示了蜗壳磨损试样位置分布，蜗壳受到颗粒的冲击速度如图8所示.图中WT为量纲为一的蜗壳宽度；
θ为蜗壳角度；
vp为颗粒冲击速度.

图7 磨损试样位置分布

图8 蜗壳壁面的颗粒冲击速度

2.4 不同过流部件的磨损差异

固液两相流动介质对离心泵不同过流部件造成的磨损情况显然是不同的.目前，国内外学者主要研究分析了离心泵固液两相介质时叶轮、蜗壳及前后盖板的磨损情况.陶艺等[45]采用工程塑料制作了渣浆泵叶轮并进行了快速磨损测试，研究表明，叶片进口边、靠近叶片压力面的后盖板内侧以及背叶片压力面的外侧磨损较为严重，并与模拟结果吻合较好.PAGALTHIVARTHI等[46]采用经验确定的磨损系数计算磨损率，预测了蜗壳表面的磨损分布，发现蜗壳隔舌附近处的磨损率相对蜗壳其他区域较高，蜗壳同一断面上不同位置的磨损率也变化很大.安一超等[47]在标准k-ε湍流模型基础上结合离散相模型，分析了轻型化工渣浆泵前腔因固液两相介质存在产生的磨损，结果显示蜗壳前腔的磨损从进口到叶轮出口呈螺旋状分布，与实际运行后的磨损情况相吻合.赖芬等[48]基于拉格朗日追踪颗粒轨迹的方法并利用E/CRC磨损模型预测分析了河流含沙水对离心泵壁面的磨损，发现最大磨损率出现在叶片及后盖板区域.总体上，叶轮和蜗壳(尤其隔舌部位)是固液两相介质流动条件下离心泵最容易磨损的过流部件.

总结归纳了近20年来，国内外学者研究离心泵内固液两相流的相关成果，主要从固液两相流动特性和磨损问题2方面展开，深入剖析了离心泵内固液两相流的流动特性的影响因素以及磨损作用机制与规律，得出以下几点结论，并对未来相关研究进行了展望：

1) 大部分情况下，颗粒在离心叶轮内有沿着并向叶片压力面运动的趋势，且与压力面不断碰撞或在其表面进行滑移，颗粒密度、粒径越大，这种现象越明显；
少部分情况则不符合上述规律，主要是由于不同案例中颗粒及流体的物理属性有所不同造成的.

2) 由于颗粒物的掺混，流体从叶轮获得的能量减少，一部分能量将用于颗粒物的输运以及颗粒-流体耦合作用导致的能量耗散，从而引起离心泵运行性能的下降，主要反映在扬程和效率的降低.然而在特定固相参数的组合下，颗粒的加入改善了流体的流动，反而出现了性能相对提高的现象，这点值得研究者深入探究.

3) 泵内的磨损情况主要受颗粒相的密度、粒径、体积分数以及泵的运行流量、转速等参数影响，大量的文献研究了这些参数对磨损的影响，但是受限于研究对象、研究背景不同，各个参数变化对磨损影响的大小并没有得出一个相对统一的结论，后续研究可以从机理分析的角度，剖析离心泵内颗粒运动与磨损的普遍联系，如颗粒冲击速度和冲击角度与磨损量的关联性.

4) 目前离心泵内固液两相流动的试验手段还相对单一，主要采用间接测量的方式，可视化试验只适用于一些叶轮结构简单的泵，大部分试验侧重于定性分析，受制于试验手段等因素，试验数据的准确性还有待提高.未来迫切需要新的试验方式加入以满足泵内固液两相流试验测量的更高要求.

猜你喜欢蜗壳固液离心泵焊接蜗壳泵模型开发水泵技术(2022年2期)2022-06-16我国新一代首款固液捆绑运载火箭长征六号甲成功首飞上海航天(2022年2期)2022-04-28一种改善离心泵运行状态的方法水泵技术(2021年5期)2021-12-31大型立式单级引黄离心泵轴向力平衡的研究水泵技术(2021年5期)2021-12-31离心泵流场外特性及激励数值计算防爆电机(2021年5期)2021-11-04高比速离心泵的高效设计研究水泵技术(2021年3期)2021-08-14污水泵蜗壳断裂原因分析水泵技术(2021年6期)2021-02-16固液结合复合酶在保育猪日粮上的应用研究广东饲料(2016年1期)2016-12-01固液分离旋流器壁面磨损的数值模拟化工进展(2015年3期)2015-11-11煤层气洗井过程固液两相流数值仿真河南科技(2014年15期)2014-02-27