双吸离心泵泥沙磨损特性研究

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双吸离心泵被广泛应用于黄河沿岸泵站中,过泵泥沙以悬移质细颗粒为主。双吸离心泵的过流部件普遍存在磨损问题,严重影响水泵的安全运行。研究双吸离心泵的泥沙磨损规律,对提高双吸离心泵的水力性能与运行稳定性具有重要意义。本文研究了欧拉算法所使用的两相流控制方程、阻力模型和泥沙扩散系数模型。针对目前常用阻力模型没有考虑湍流强度影响的问题,发展了一种改进阻力模型—-TE-Wen-Yu模型。在该模型中,引入惯性因子和湍动因子,分别表征惯性项和湍流强度对阻力系数的影响。根据现有试验结果和理论分析,提出了惯性因子和湍动因子的表达式形式;利用试验数据并通过最小二乘法拟合方式,确定了表达式系数的具体数值。在此基础上,得到了湍流修正函数。湍流修正函数包含了颗粒雷诺数与湍流强度的影响。算例表明,借助湍流修正函数所建立的TE-Wen-Yu模型提高了以悬移质为主要泥沙颗粒的低浓度固液两相流计算精度。对于现有泥沙扩散系数模型忽略悬移质颗粒粒径对流体湍流强度影响而导致泥沙扩散系数计算不准确的问题,提出了一种改进泥沙扩散系数模型—-DC-PDPC模型。该模型是一种类比水流涡黏性系数的半经验模型,以颗粒与含能涡相互作用理论判断颗粒对流体湍流强度的作用。在该模型中,根据流体湍流平衡流动理论和变量间多元回归分析方法,结合现有试验数据,建立了流体湍流强度变化率与颗粒粒径、固相体积浓度的关系式。算例表明,相比于现有泥沙扩散系数模型,DC-PDPC模型能够体现悬移质颗粒粒径变化对泥沙扩散系数的影响,提高了以悬移质为主要泥沙颗粒的固液两相流计算精度。首次运用TE-Wen-Yu模型和DC-PDPC模型数值研究了抽送以悬移质为主要颗粒含沙水的双吸离心泵,发现了在粒径25-50μm、含沙浓度5-30kg/m3时叶轮磨损分布规律,建立了含沙浓度和材料硬度变化与叶片磨损间的关系。研究表明,相对于现有模型,TE-Wen-Yu模型和DC-PDPC模型计算得到的固相体积浓度分布区间减小,固相速度分布有所改变。叶片的磨损程度大于叶轮的其它壁面,叶片的磨损由头部到尾部逐渐加重,磨损主要发生在叶片背面的尾部以及叶片工作面的中部和尾部,叶片工作面的磨损大于叶片背面,叶片工作面的严重磨损部位为尾部的块状磨损区。含沙浓度由5kg/m3增大到30 kg/m3时,严重磨损区面积由叶片尾部向头部逐渐增大,最大磨损率的增大与含沙浓度的增大成正比;叶片材料布氏硬度由300提高到600后,磨损部位的分布不变,但最大磨损率降低近50%。本文研究成果提高了悬移质固液两相流流场的计算精度,为改善双吸离心泵抗磨能力奠定了基础。
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