颗粒性质对叶片圆盘泵叶轮内颗粒分布的影响
周昌静，曲燕，章大海，高波
中国石油大学，山东青岛266580;2中石化胜利石油工程公司黄河钻井四公司，山东东营257000)

摘要:为研究颗粒性质对颗粒在叶片圆盘泵叶轮内分布规律的影响，将叶片圆盘泵叶轮分为无叶区和叶片区，采用多重参考坐标系法模拟流体在叶片区和无叶区内的流动。采用Eulerian多相流模型、RNG k一ε。湍流模型与SIMPLEC算法，利用Fluent软件对叶片圆盘泵内固液两相湍流进行数值模拟。对不同直径、不同浓度及不同密度颗粒在叶轮叶片区和无叶区的分布及颗粒在叶轮表而分布规律进行分析。结果表明:颗粒密度和颗粒直径对颗粒分布影响较大，颗粒密度、粒径越大，颗粒越难被液相带动加速而处在液相相对速度较慢的无叶区，随着颗粒密度、粒径的增大，叶轮表而颗粒浓度分布变化趋缓;颗粒浓度对颗粒在无叶区和叶片区分布影响较小;叶片表而颗粒浓度大于轮盘表而颗粒浓度，从动轮上轮盘表而和叶片表而颗粒浓度要小于相应主动轮表而颗粒浓度。

关键词: 叶片圆盘泵; 无叶区; 叶片区; 颗粒性质; 颗粒分布; 数值计算

1 前言

叶片圆盘泵是一种叶轮结构特殊的离心泵，叶轮叶片轴向不连续，叶轮轮盘间存在无叶区，无堵塞性能好，叶轮受磨损程度小，广泛应用于农业、市政、环保、污水处理、石油、化工、建筑、冶金、矿山等部门。
    文献对圆盘泵叶轮内流场进行了分析，但未就叶轮存在无叶区的特点对包括无叶区在内的整个叶轮内流动进行分析。文献将叶片圆盘泵叶轮分为无叶区和叶片区，对固相颗粒在叶轮内的分布进行了研究，但未考虑颗粒性质对颗粒分布的影响。对于固液两相流泵泵内流场的研究，许多学者从颗粒直径及颗粒体积浓度出发研究了离心泵在输送固液两相介质时泵内部流场的变化情况。由于叶片圆盘泵开发的历史较短，国内外对叶片圆盘泵设计及特性研究的资料报道很少，还未见到有关颗粒密度、颗粒浓度、颗粒大小等对叶片圆盘泵内部流场影响的研究。本文在文献水力性能试验验证的基础上，利用Fluent软件针对不同性质颗粒进行叶片圆盘泵内固液两相流动数值模拟，从固相颗粒本身性质出发研究颗粒在无叶区和叶片区内分布特征及颗粒在叶轮表面分布规律。

2 泵内固液两相湍流场的计算

2. 1模型泵基本结构参数
数值计算所用模型泵叶轮结构如图1所示。圆盘数为2个，叶片为放射形直叶片，每个盘上叶片数取8枚。叶轮外径D = 315 mm，盘间距S = 50mm，叶片高度h =13 mm，采用环形压水室结构。

图1 叶片圆盘泵叶轮

2. 2计算区域网格及边界条件给定
    根据圆盘泵叶轮存在无叶区的特点，将叶轮分为无叶区和叶片区分别建模，这样圆盘泵的全流场就包括进口段、叶轮叶片区流场、叶轮无叶区流场、泵体前腔、泵体后腔、泵体和出口段流场区，采用多重参考坐标系法(MRF)，分别建立同叶轮叶片区同步旋转的动坐标系和固定在压水室上的不动坐标系，流动控制方程在进口段、叶轮叶片区、叶轮无叶区、泵体前腔、泵体后腔、泵体和出口段区域分别进行计算，在两个区域的交界面上则通过将速度换算成绝对速度的形式进行藕合计算。计算区域和网格如图2所示。

图2 训一算区域及训一算网格

计算域的进口采用稳态、均相、沿轴向速度一定的速度进口条件，由质量守恒定律和进口无预旋的假设确定轴向速度，这里假定固液两相在入口有相同的速度，同时假定进口处浓度均匀分布，给定来流速度:及湍动能k和耗散率二的预估值。流道内与流体相接触的壁面上均采用无滑移壁面条件，壁面附近采用标准壁面函数。泵的出口采用自由出流条件。

2. 3模拟方案

(1) 不同颗粒直径模拟:在设计工况和固相体积浓度为5%，密度为2030kg/m³的条件下，分别对固相颗粒直径d为0.25,0.5,0.75,1和2mm时的两相流场进行数值计算;

(2) 不同颗粒体积浓度模拟:在设计工况和粒径为为lmm，密度为2030kg/m³的条件下，分别对固相体积浓度为3%,5%,7%,10%,15%和20%的两相流场进行数值计算;

(3) 不同颗粒密度模拟:在粒径为0. 5 mm和固相体积浓度为10%的条件下，分别对固相颗粒密度为1000,1200,1500, 1800 , 2030和3000kg/m³;两相流场进行数值计算。