串接組合式迷宮螺旋泵的氣液兩相流數(shù)值模擬及試驗研究*

張塞　張有忱　閻華　楊衛(wèi)民

(北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院　北京 100029)

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串接組合式迷宮螺旋泵的氣液兩相流數(shù)值模擬及試驗研究*

張塞張有忱閻華楊衛(wèi)民

(北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院北京 100029)

摘要為研究串接組合式迷宮螺旋泵在實際污水處理過程中的曝氣增氧效果和內(nèi)部的流動情況，應(yīng)用計算流體力學(xué)FLUENT軟件，基于混合物多相流模型，對串接組合式迷宮螺旋泵內(nèi)部三維多相流場進行了數(shù)值模擬，分析了不同含氣率條件下流場的壓力、速度、氣相分布情況，分析得出：泵的壓力梯度在不同含氣率下有所不同，但壓力分布都是沿著軸向方向增加，增壓效果明顯；轉(zhuǎn)子流域的速度明顯高于定子流域，且隨著含氣率的增大，轉(zhuǎn)子流域速度越來越小，定子流域速度越來越大；泵整體含氣率比較均勻，隨著含氣率的增大，出口流域含氣率明顯高于進口流域和螺旋環(huán)流域，有大量氣體聚集的現(xiàn)象。試驗結(jié)果表明：泵的揚程模擬曲線和試驗曲線基本吻合，揚程誤差值在7%左右，說明數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確，串接組合式迷宮螺旋泵在進行氣液混輸時出口氣泡均勻，水中含氧量多，具有良好的曝氣增氧效果。

關(guān)鍵詞串接組合式數(shù)值模擬氣液兩相流曝氣增氧

Numerical Simulation and Experiment of Gas-Liquid Two-Phase Flow in Labyrinth Screw Pump with Series Combination

ZHANG SaiZHANG YouchenYAN HuaYANG Weimin

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,BeijingUniversityofChemicalTechnologyBeijing100029)

AbstractTo investigate the characteristics of gas-liquid two-phase flow and aeration effect of the labyrinth screw pump with series combination in the practical wastewater treatment process, the FLUENT analysis software is applied, based on the mixture model of multi-phase, to conduct numerical simulation on its interior flow field and analyze the pressure, the velocity and the distribution of gas and liquid phase under conditions of different gas rates. The result show that: the pressure gradient varies under different gas rates, but the pressure is increased along the axial direction; the fluid velocity in the rotor is obviously higher than that in the stator, and with the increase of the gas rate, the fluid velocity in the rotor will get smaller and smaller, while the fluid velocity in the stator will be larger and larger; the gas void distribution in pump is uniform, but with the increase of gas rates, the gas rate at the outlet is obviously higher than that appeared at the inlet area and screw ring and large amount of gas gathers. The experimental results show that: the pump lift curve is essentially consistent with the experimental curve and the error is 7% or so, indicating that the simulation result is correct and bubble at the outlet is uniform, with high concentration of oxygen in the water and good aeration effect.

Key Wordsseries combinationnumerical simulationgas-liquid two-phase flowareation

0引言

隨著工業(yè)化進程的加快，污染排放量的不斷增加，水污染問題日益嚴重，工業(yè)廢水的處理更加受到世界各國的重視，因此保護水資源和防治水污染，是水資源可持續(xù)發(fā)展必須解決的問題[1]。污水處理是環(huán)境工程中的重要環(huán)節(jié)，而曝氣系統(tǒng)作為污水處理中一個關(guān)鍵單元直接影響著出水、水質(zhì)穩(wěn)定性和處理成本[2]，張有忱等[3-4]對離式螺旋設(shè)備進行了大量實驗研究，發(fā)現(xiàn)該泵具有良好的曝氣效果，在污水處理中該曝氣設(shè)備相對于傳統(tǒng)的以鼓風(fēng)機和曝氣器為曝氣系統(tǒng)設(shè)備更加高效和節(jié)能，黎鏡中等[5-6]研制了一種新型污水處理曝氣裝置----離式螺旋體微納米氣泡裝置，該裝置不僅可以給河湖增氧，還可以解決超濾膜污染的難題。串接組合式迷宮螺旋泵是一種新型迷宮螺旋泵，該泵是在通用迷宮螺旋泵的基礎(chǔ)上將泵轉(zhuǎn)子設(shè)計成多個轉(zhuǎn)子環(huán)串接組成、泵定子設(shè)計成多個定子環(huán)串接而成[7-8]，該泵的發(fā)展將大大推進迷宮螺旋泵的發(fā)展，同時為污水處理領(lǐng)域提供了一種新型的曝氣設(shè)備。

而基于串接組合式迷宮螺旋泵的氣液兩相流的研究還鮮見報道，因此本文對串接組合式迷宮螺旋泵的內(nèi)部氣液兩相流動規(guī)律進行了研究，分析了不同含氣率的條件下泵內(nèi)部流場的影響變化，并通過試驗驗證了泵的曝氣增氧效果，為深入了解串接組合式迷宮螺旋泵氣液混輸性能提供了依據(jù)。

1試驗泵及數(shù)值計算方法

1.1設(shè)計參數(shù)

流量Q=3 m3/h,揚程H=25 m,轉(zhuǎn)速n=2 900 r/min。

1.2螺旋槽主要尺寸

該串接組合式迷宮螺旋泵的螺旋體采用三角形迷宮螺旋槽，泵的主要幾何參數(shù)為：螺旋槽深h=3 mm，轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙c=0.3 mm,轉(zhuǎn)子環(huán)長度Lz=90 mm，定子環(huán)長度Ld=90 mm，環(huán)槽寬度Sw=4 mm，環(huán)槽深度Sh=4 mm，螺旋頭數(shù)Z=27,轉(zhuǎn)子外徑d=80 mm，導(dǎo)程S=80 mm。

1.3泵的結(jié)構(gòu)

串接組合式迷宮螺旋泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　串接組合式迷宮螺旋泵的結(jié)構(gòu)示意圖

1.4數(shù)值計算方法

本文對泵在不同含氣率條件下進行氣液兩相流數(shù)值模擬，并分析泵內(nèi)部流場中壓力分布、速度分布、氣相分布的變化情況，兩相流的基本參數(shù)為：串接組合迷宮螺旋泵進口處的含氣率α=0.1,0.2,0.25,0.3,0.35,0.4；進口混合物體積流量Q=2.8 m3/h。

串接組合式迷宮螺旋泵的幾何模型和網(wǎng)格劃分過程在Gambit中實現(xiàn)的，網(wǎng)格總數(shù)為3 564 795；多相流的計算方法選用混合物模型[9-10]，考慮流體的旋轉(zhuǎn)情況，流場湍流的計算用RNGk-ε湍流模型，轉(zhuǎn)動區(qū)域采用多重參考系方法處理，各控制方程采用二階迎風(fēng)格式離散，控制方程離散后需要求解，采用壓力速度耦合的SIMPLE算法[11]。此外，邊界條件的設(shè)定對計算結(jié)果的影響也很重要，本文的邊界條件設(shè)定為：進口采用速度進口，出口采用充分發(fā)展出口，各流域交界面處采用內(nèi)部邊界；壁面采用默認的無滑移邊界條件，在靠近壁面區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理。

2模擬結(jié)果及分析

2.1壓力分布

圖2是含氣率α分別為0.1，0.2，0.3，0.4時泵內(nèi)靜壓分布云圖?？梢钥闯稣麄€流場的壓力都是沿著軸向逐漸增大，說明螺旋槽是泵的主要升壓部件，具有增壓的作用，但在不同的氣液比例條件下壓力增加幅度有所不同。從入口到出口，泵的壓力增加比較緩慢，沒有劇烈變化，這對氣液兩相輸送特別有利，因為這樣在輸送過程中不易造成兩相分離，但在入口處容易形成負壓，因為迷宮螺旋泵屬于自吸泵，比較發(fā)現(xiàn)隨著泵內(nèi)含氣率的增加，出口壓力也逐漸變大，這是因為進口條件設(shè)置包括進口速度和氣相體積分數(shù)，含氣率越大，氣體質(zhì)量流量越大，出口總壓也越大。

(a)α=0.1

(b)α=0.2

(c)α=0.3

(d)α=0.4

圖2泵內(nèi)靜壓力分布云圖

2.2速度分布

圖3是含氣率α分別為0.1，0.2，0.3，0.4時泵內(nèi)速度矢量分布云圖，由圖可以看出不同含氣率條件下流體在轉(zhuǎn)子螺旋槽中的速度均大于定子螺旋槽中的速度，隨著螺旋槽半徑的減小其速度逐漸變大，在轉(zhuǎn)子螺旋槽底部達到最大，這是因為泵靠轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)帶動流體介質(zhì)的運動；由速度矢量放大圖還可以看出隨著含氣率的增大，轉(zhuǎn)子根部流域的速度越來越小，定子根部流域的速度越來越大，氣體流動方向從轉(zhuǎn)子流域逐漸過渡到定子流域，從而不斷沖蝕定子螺旋槽部分，說明定子螺旋槽部分會因為含氣率較大的緣故而加重磨損。

(a)α=0.1

(b)α=0.2

(c)α=0.3

(d)α=0.4

圖3泵內(nèi)速度矢量分布云圖

2.3氣相分布

圖4為含氣率α分別為0.1，0.2，0.25，0.3，0.35，0.4時泵內(nèi)氣相分布云圖。從各個圖可以看出在泵入口處氣相濃度分布比較均勻，沒有明顯的突變，這是因為泵進口處邊界條件設(shè)置為兩相流速度相同；泵出口處局部含氣率較高，氣體容易在泵出口處形成氣團，這樣很容易發(fā)生氣堵；轉(zhuǎn)子和定子流域的含氣率明顯大于進口處含氣率，隨著含氣率的增大，轉(zhuǎn)子和定子流域的高含氣率越來越大，當(dāng)含氣率大于0.3時高含氣率幾乎占據(jù)了泵的整個流道，這是因為隨著含氣率的增加，液相流量逐漸減小，加上轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，離心力和慣性力的作用使得較重的液相被甩到定子區(qū)域，由圖3中不同含氣率的速度矢量放大圖可以看出，在螺旋段流域，定子流域容易發(fā)生氣旋，隨著含氣率較大時，氣體大量聚集在轉(zhuǎn)子和定子耦合區(qū)域，從而造成定子和轉(zhuǎn)子間隙處氣體和液體的速度發(fā)生變化，這種是由于離心力、慣性力、定轉(zhuǎn)子間隙、螺旋升角等因素引起的氣液分布不均勻。

(a)α=0.1

(b)α=0.2

(c)α=0.25

(d)α=0.3

(e)α=0.35

(f)α=0.4

圖4泵內(nèi)氣相濃度分布云圖

3試驗研究

3.1試驗系統(tǒng)

在某污水處理廠曝氣實驗室，對串接組合式迷宮螺旋泵進行曝氣性能試驗，試驗流程圖如圖5所示，壓力表1和壓力表2為電容式壓力變送傳感器，分別顯示進口和出口的壓力值，從而計算泵在不同含氣率條件下的揚程，流量計為轉(zhuǎn)子流量計，其中氣體流量計為LZB-25轉(zhuǎn)子流量計,溶氧儀型號為WTW Oxi330i，用來測量串接組合式迷宮螺旋泵排出水池內(nèi)的含氧量。

圖5　串接組合式迷宮螺旋泵曝氣試驗原理

3.2結(jié)果分析

進口混合物體積流量Q=2.8 m3/h，含氣率α分別為0.1，0.2，0.25，0.3，0.35，0.4，轉(zhuǎn)速為2 900 r/min條件下進行模型的試驗驗證，試驗揚程與模擬揚程的曲線如圖6所示，水中含氧量隨時間的變化曲線如圖7所示，模擬揚程曲線與試驗揚程曲線的趨勢是一致的，試驗結(jié)果與計算結(jié)果相差不大，揚程誤差在7%左右，這都在合理范圍之內(nèi)，說明數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。由圖7所示，在污水處理中，串接組合式迷宮螺旋泵可以明顯增加水中的含氧量，曝氣效果很好，并且隨著進口含氣率的增大，水中含氧量增加的速率變大，從而達到曝氣增氧的目的。

圖6　試驗揚程與模擬揚程曲線

圖7　水中含氧量隨時間的變化曲線

4結(jié)論

(1)不同含氣率條件下整個流場的壓力都是沿著軸向逐漸增大，但壓力增加幅度沿軸向有所不同，說明螺旋槽是串接組合迷宮螺旋泵的增壓部件；隨著含氣率的增大，轉(zhuǎn)子根部流域的速度越來越小，定子根部流域的速度越來越大，氣體流動方向從轉(zhuǎn)子流域逐漸過渡到定子流域。

(2)不同含氣率條件下泵的進口和螺旋環(huán)流域含氣率比較均勻，出口含氣率分布不均勻，較小時出口沒有嚴重的氣體聚集現(xiàn)象，當(dāng)含氣率大于0.3時，出口有明顯的氣體聚集現(xiàn)象，容易發(fā)生氣堵。

(3)泵的揚程的模擬曲線與試驗曲線基本吻合，揚程誤差在7%左右，說明數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確；該泵用于污水處理曝氣增氧環(huán)節(jié)時，出口氣泡小、均勻，水中含氧量高，可以明顯增大污水中氣體和液體的接觸面積，曝氣增氧效果明顯。

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張有忱，男，1957年生，山東平度人, 教授，主要從事機械設(shè)計和流體機械流場分析研究。

(收稿日期：2015-02-06)

作者簡介張塞，男，1989年生，河北邢臺人, 碩士研究生,主要從事流場分析及工業(yè)水處理研究。

*基金項目：國家科技支撐計劃重大項目(2011BAA04B02)。