自吸泵固液两相流流动特性研究

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自吸泵是一种特殊的离心泵,由于气液分离室的存在,自吸泵具有普通离心泵不具备的自吸能力,避免了普通离心泵二次启动时向泵内注水排气的过程。因此,自吸泵广泛应用于需要多次停断的情况,如泵送生活污水、煤矿输水和农田灌溉等领域。而由于自吸泵多应用于上述的工作环境较为复杂的情形,其输送的介质中也常包括生活垃圾、煤渣和砂砾,是典型的固液两相流。自吸泵过流部件壁面受到介质中的颗粒的冲击而产生严重的冲蚀损伤,使自吸泵的使用寿命大幅缩减,严重制约了自吸泵的应用。此外,一些大尺寸的固相颗粒进入自吸泵流场后,对泵内部流体流动产生严重的影响,造成泵的性能急剧下降。研究自吸泵固液两相流流动特性,可以预测固液两相流工况对自吸泵外特性和内部流动特性的影响,分析固相颗粒对壁面的冲蚀特性以及颗粒的运动特性,为自吸泵高冲蚀率部位的防护和特定工况自吸泵的选型提供理论支持。为此,本文以自吸泵65ZW30-20为研究对象,采用数值计算的方法研究输送介质中颗粒的各项参数对过流部件的冲蚀特性和泵性能的影响,研究结果表明:(1)自吸泵的扬程和效率与颗粒浓度呈线性负相关,当颗粒质量浓度为90kg·m-3时,扬程下降6.8%,效率下降3.15%,严重影响了自吸泵性能;同时,由于颗粒的冲击,叶轮叶片的头部及其邻近区域、叶片的吸力面与前盖板联通的区域呈现较高的冲蚀率,且叶片的吸力面存在随机性较强的点蚀;而泵的非旋转部件中的口环区域和蜗壳壁面的冲蚀率也较高,且蜗壳壁面的冲蚀尤为严重,与叶片均可能成为最先失效的过流部件。通过分析颗粒的运动轨迹发现,固相颗粒相对液相流体的滞后效应是引起叶片和蜗壳等区域冲蚀率高于其他区域的重要原因。(2)当大尺寸杂质颗粒在叶轮流道内运动时,会使得叶轮流道内颗粒存在的一侧的低压区大幅扩大。同时,杂质颗粒侧的流道变窄,使得对应蜗壳区域和另一侧叶片的流道内流动速度增大,在隔舌和蜗壳区域出现高速低压区。杂质颗粒周围的流体反向流和流动分离使得杂质颗粒周边包裹着一层低压薄膜,这也使杂质颗粒的表面阻力系数降低。杂质颗粒在叶轮叶片头部区域和叶轮蜗壳联通区域的应变速率达到最大值,这两处也是杂质颗粒最有可能形变或破坏的位置。(3)计算和分析了大、小尺寸固相颗粒对泵性能的影响。基于颗粒引起的泵扬程平均减少量和颗粒平均存在时间,提出了颗粒对泵输出功造成的平均损失的计算方法,可以定量的描述大尺寸颗粒所引起的泵性能的下降幅度。通过对自吸泵固液两相流特性的研究,明确了介质中颗粒对自吸泵过流部件的冲蚀特性,揭示叶轮和蜗壳呈现高冲蚀损伤的机理,为过流部件的定点强化提供理论支撑。计算分析大尺寸颗粒在叶轮流道内的运动特性,分析了流场和颗粒的相互作用,揭示自吸泵性能下降的机理。分别计算了大、小尺寸颗粒对自吸泵性能的影响,提出了计算自吸泵性能下降幅度的计算方法,完善了自吸泵固液两相流性能评价体系。
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