離心泵氣液兩相流數(shù)值模擬與可視化試驗(yàn)

張忠圓,邵春雷,2

(1.南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 南京 211800; 2.江蘇省綠色過程裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 常州 213164)

離心泵廣泛應(yīng)用于石油、化工、醫(yī)藥、核電等領(lǐng)域。在實(shí)際運(yùn)行過程中,很多情況下泵內(nèi)輸送的介質(zhì)處于氣液兩相共混狀態(tài),例如，泵在氣蝕工況下運(yùn)行[1]、自吸泵的自吸過程[2]、泵進(jìn)口管道發(fā)生漏氣[3]等。目前,氣液兩相流泵已在諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用,但兩相流泵設(shè)計(jì)理論及泵內(nèi)兩相流動(dòng)理論尚不夠完善。因此,研究泵內(nèi)氣液兩相流動(dòng)規(guī)律是十分必要的。

隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展,數(shù)值分析方法成為研究離心泵內(nèi)流動(dòng)的重要手段[4-6]。Zhu等[7]采用瞬態(tài)多相計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法,對(duì)電動(dòng)潛油泵旋轉(zhuǎn)葉輪內(nèi)的流型進(jìn)行了數(shù)值研究,模擬出了3組氣體流量下、不同液相流量時(shí)，葉輪內(nèi)流型變化情況。余志毅等[8-9]在進(jìn)口氣相體積分率(φIGVF)為15%的情況下，對(duì)葉片式混輸泵進(jìn)行了非定常數(shù)值模擬,對(duì)模擬中出現(xiàn)的氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了解釋,研究表明渦旋是形成這一現(xiàn)象的主要原因之一。付強(qiáng)等[10-11]通過對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑主泵進(jìn)行氣液兩相數(shù)值模擬,得出了導(dǎo)葉出口邊安放位置對(duì)泵內(nèi)流動(dòng)的影響關(guān)系。余志毅等[12]對(duì)葉片式混輸泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了葉輪流道尺寸對(duì)氣液兩相流動(dòng)的影響規(guī)律,并對(duì)泵水力模型進(jìn)行了改進(jìn)。黃思等[13-14]數(shù)值模擬了螺旋軸流式葉片泵在高含氣率下的氣液兩相流動(dòng),研究了離心力對(duì)氣液分布的影響規(guī)律。在試驗(yàn)研究方面,Sch?fer等[15]采用高分辨率伽馬射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)對(duì)真實(shí)工作條件下的工業(yè)離心泵葉輪內(nèi)的氣相分布進(jìn)行了測(cè)定,研究了不同含氣率對(duì)泵性能的影響。Shao等[16]試驗(yàn)測(cè)得不同進(jìn)口氣相體積分率下泵內(nèi)流型及氣泡分布情況并將流型進(jìn)行分類。Zhang等[17]在試驗(yàn)泵前設(shè)置了緩沖罐并開展了氣液兩相流試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,混合液通過緩沖罐后,氣泡流動(dòng)均勻,并根據(jù)緩沖罐的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和中央多孔管的開孔方案,對(duì)混合液的流型進(jìn)行了優(yōu)化。Verde等[18]對(duì)離心泵葉輪內(nèi)氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明，葉輪內(nèi)的流型與泵的性能直接相關(guān),而泵性能的惡化引起了氣穴的產(chǎn)生。謝鵬等[19]試驗(yàn)研究了混輸泵內(nèi)的氣液兩相流動(dòng),分析了氣液混合總流量和含氣量對(duì)空化性能的影響規(guī)律。綜上所述,前人對(duì)氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了泵內(nèi)流動(dòng)情況及性能影響因素,并通過試驗(yàn)研究了不同工況下泵內(nèi)的氣液分布規(guī)律,但對(duì)離心泵內(nèi)流型的分析不夠深入,流型與泵外特性之間的關(guān)系尚不明確,泵內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的演化規(guī)律也有待進(jìn)一步研究。

筆者采用數(shù)值模擬與高速攝像相結(jié)合的方法,對(duì)離心泵葉輪、蝸殼以及吸水管內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究,分析進(jìn)口氣相體積分率對(duì)泵內(nèi)部流動(dòng)與外特性的影響,辨識(shí)不同工況下離心泵各過流部件內(nèi)部的氣液兩相流型。試驗(yàn)所得各工況下的泵內(nèi)流型可用于數(shù)值模擬結(jié)果的驗(yàn)證,進(jìn)而為完善氣液兩相流模型提供依據(jù)。研究結(jié)果對(duì)氣液兩相流泵的高效運(yùn)行以及高性能兩相流泵的開發(fā)具有參考價(jià)值。

1 數(shù)值計(jì)算方法

選取IS80-50-250型離心泵進(jìn)行幾何建模,主要額定參數(shù)為:額定轉(zhuǎn)速nd=1 450 r/min,額定流量Qd=25 m3/h,額定揚(yáng)程Hd=20 m，主要幾何參數(shù)見表1。

表1 模型泵幾何參數(shù)

采用Pro/E軟件對(duì)離心泵進(jìn)行三維幾何建模,并采用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于蝸殼與葉輪的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分,并用Smooth功能對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行光順處理。網(wǎng)格無關(guān)性檢查表明,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量由1 394 907繼續(xù)增加時(shí),揚(yáng)程和效率的波動(dòng)小于1%。綜合考慮計(jì)算資源與計(jì)算的精度,采用該網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行計(jì)算,此時(shí),葉輪、蝸殼、吸水管的網(wǎng)格數(shù)分別為703 036、506 385、185 486。三維計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 計(jì)算區(qū)域及計(jì)算網(wǎng)格Fig.1 Computational domain and grid

離心泵的內(nèi)部流動(dòng)屬于湍流流動(dòng),因此,湍流控制方程采用SSTk-ω模型,多相流模型采用Eulerian-Eulerian非均相流模型模擬,采用Phase Coupled SIMPLE算法,對(duì)離心泵內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算過程中,做如下假設(shè):

1)氣泡形狀為均勻的球形;

2)氣液兩相均勻且均速進(jìn)入泵內(nèi);

3)不計(jì)氣液兩相之間的傳質(zhì)傳熱;

4)氣液兩相均為連續(xù)相,不可壓縮,且物性參數(shù)不變。

5)泵內(nèi)流動(dòng)為定常流動(dòng),第一相為清水,第二相為空氣,φIGVF為常數(shù)。

進(jìn)出口邊界條件分別為速度進(jìn)口及自由出口,蝸殼及葉輪的壁面采用固壁邊界條件。

葉片表面和泵腔表面的y+分布如圖2所示,計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格y+不超過30,能保證近壁區(qū)域有足夠的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)來滿足SSTk-ω湍流模型進(jìn)行湍流計(jì)算。

圖2 泵腔表面和葉片表面的y+分布Fig.2 Distribution of y+ on the wall of the pump casing and the blade surface

2 離心泵試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)裝置

圖3為離心泵試驗(yàn)裝置,該裝置主要由儲(chǔ)水罐、進(jìn)出口閥、進(jìn)出口測(cè)壓管、電控柜、流量計(jì)、金屬軟管、模型泵、轉(zhuǎn)速傳感器、電機(jī)、支座、高速攝像系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、氣泵和氣體流量計(jì)等組成。儲(chǔ)水罐內(nèi)的水經(jīng)模型泵抽送后仍然回到儲(chǔ)水罐內(nèi),形成一個(gè)循環(huán)回路。氣泵產(chǎn)生的氣體通過氣體流量計(jì)進(jìn)入吸水管內(nèi),并通過流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣量。氣泵通入的氣體跟隨水一起進(jìn)入儲(chǔ)水罐,在罐內(nèi)氣液分離后從水罐頂部排出。模型泵由有機(jī)玻璃制成,以便更好地觀察泵內(nèi)部流動(dòng)情況,模型泵的水力結(jié)構(gòu)與原型泵相同,模型泵實(shí)物如圖4所示。其中主要的測(cè)量儀器參數(shù)見表2。

表2 主要測(cè)量儀器參數(shù)

1—儲(chǔ)水罐;2—出口閥;3—外特性采集電腦;4—高速攝像顯示器;5—電控柜;6—渦輪流量計(jì);7—金屬軟管;8—出口壓力傳感器;9—進(jìn)口閥;10—進(jìn)口壓力傳感器;11—轉(zhuǎn)子流量計(jì);12—?dú)獗?13—高速攝像機(jī);14—模型泵;15—轉(zhuǎn)速檢測(cè)器;16—電機(jī)圖3 離心泵試驗(yàn)裝置Fig.3 Centrifugal pump test device

圖4 模型泵Fig.4 Model pump

2.2 試驗(yàn)方法

采用i-SPEED 3型高速攝像機(jī)對(duì)離心泵葉輪內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行測(cè)量,同時(shí)采用普通相機(jī)對(duì)泵內(nèi)氣液兩相流進(jìn)行拍攝,以彌補(bǔ)高速攝像機(jī)景深較淺的局限,使得拍攝圖像更加直觀。

采用空氣和清水的混合物作為試驗(yàn)介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)選取拍攝頻率為1 000 幀/s,曝光時(shí)間為0.1 ms,對(duì)應(yīng)的圖像分辨率為1 280×1 024,相機(jī)鏡頭與泵中截面的距離約為0.4 m,拍攝的區(qū)域大小約為210 mm×158 mm。輸送氣液兩相介質(zhì)時(shí),氣泡和水交界面對(duì)光有很好的反射作用,拍攝圖像較為清晰,無須補(bǔ)光。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)前的氣閥來控制不同進(jìn)氣量?？紤]到有機(jī)玻璃模型泵的強(qiáng)度,試驗(yàn)轉(zhuǎn)速選取為400和500 r/min,流量分別為5、7、10、12和15 m3/h,根據(jù)相似理論可計(jì)算得到其他工況下的結(jié)果。待運(yùn)行穩(wěn)定后,觸發(fā)高速攝像機(jī),對(duì)泵內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行拍攝,按氣體流量從小到大依次采集不同進(jìn)氣量下的進(jìn)口管與泵內(nèi)部流動(dòng)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果分析與討論

泵在抽送氣液兩相介質(zhì)時(shí),氣體的存在很大程度上影響了泵的性能。從泵內(nèi)氣液兩相試驗(yàn)過程中觀察到的現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)氣體流量增大到一定程度時(shí),氣體在葉輪內(nèi)發(fā)生積聚,即使氣體流量不再增加,泵的流量和揚(yáng)程也會(huì)迅速下降,此時(shí)的氣體流量即為臨界氣體流量。本文主要研究氣體流量小于臨界氣體流量時(shí)泵性能的變化規(guī)律。

3.1 離心泵外特性隨進(jìn)口氣相體積分率的變化

圖5為轉(zhuǎn)速n=500 r/min、φIGVF為1.8 %時(shí),分別由數(shù)值模擬與試驗(yàn)得到的離心泵性能曲線圖。由圖5可知,模擬與試驗(yàn)得到的性能曲線較為吻合,但有一定偏差。產(chǎn)生偏差的主要原因?yàn)?)模擬過程中未考慮葉輪進(jìn)口口環(huán)處的泄漏及軸封處的泄漏;2)軸承及密封裝置上的能耗在模擬中并無體現(xiàn);3)忽略了葉輪前后蓋板與蝸殼之間的圓盤摩擦損失。由圖5中數(shù)據(jù)分析可得,揚(yáng)程、功率和效率的最大誤差分別為9.0%、5.8%和3.2%,說明所采用的數(shù)值模擬方法可以較為準(zhǔn)確地模擬離心泵內(nèi)氣液兩相流動(dòng)。

圖5 離心泵輸送氣液兩相介質(zhì)時(shí)的性能曲線(n=500 r/min)Fig.5 Performance curves of the centrifugal pump when transporting gas-liquid two-phase medium (n=500 r/min)

圖6為轉(zhuǎn)速n=500 r/min時(shí)所得泵的流量Q隨進(jìn)口氣相體積分率φIGVF的變化曲線。由圖6可見,當(dāng)氣體流量小于臨界氣體流量時(shí),在初始液體流量Ql較小的情況下,泵的流量隨著進(jìn)口氣相體積分率的增加不斷減小;在初始液體流量較大的情況下,隨著進(jìn)口氣相體積分率的增加開始時(shí)，泵的流量Q幾乎不變,隨著進(jìn)口氣相體積分率繼續(xù)增加，泵的流量開始緩慢增加,當(dāng)?shù)竭_(dá)峰值后，隨著進(jìn)口氣相體積分率的進(jìn)一步增加，泵的流量又開始緩慢減少。

圖6 泵的流量隨進(jìn)口氣相體積分率的變化(n=500 r/min)Fig.6 Variation of pump flow rate with the inlet gas volume fraction(n=500 r/min)

圖7為轉(zhuǎn)速n=500 r/min時(shí)不同初始液體流量下泵的揚(yáng)程與進(jìn)口氣相體積分率的關(guān)系,由圖7可見,當(dāng)氣體流量小于臨界氣體流量時(shí),隨著進(jìn)口氣相體積分率的增加,揚(yáng)程呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)進(jìn)口氣相體積分率為零的時(shí)候,初始液體流量越大，揚(yáng)程越低;初始液體流量相對(duì)較小的情況下,隨著進(jìn)口氣相體積分率的增加，揚(yáng)程急劇下降,初始液體流量相對(duì)較大的情況下,隨著進(jìn)口氣相體積分率的增加，揚(yáng)程下降相對(duì)緩和;初始液體流量越小,進(jìn)口氣相體積分率對(duì)揚(yáng)程的影響越顯著;隨著進(jìn)口氣相體積分率的增加,氣相逐漸阻塞泵內(nèi)流道;同一初始液體流量情況下,揚(yáng)程隨著進(jìn)口氣相體積分率的增加先緩慢下降，然后劇烈下降。

圖7 泵的揚(yáng)程隨進(jìn)口氣相體積分率的變化(n=500 r/min)Fig.7 Variation of pump head with the inlet gas volume fraction(n=500 r/min)

3.2 離心泵內(nèi)流型隨進(jìn)口氣相體積分率的變化

圖8為離心泵內(nèi)流型隨進(jìn)口氣相體積分率的變化。由試驗(yàn)結(jié)果可知,隨著進(jìn)口氣相體積分率的增加,吸水管內(nèi)的兩相流動(dòng)由塞狀流(圖8(a))轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱恿?圖8(b)),葉輪內(nèi)氣泡數(shù)量明顯增加,并且葉輪進(jìn)口位置有部分氣泡積聚,離心泵內(nèi)氣泡分布相對(duì)較均勻,此時(shí)通入的氣體全部由泵出口排出。

當(dāng)氣體流量Qg增大到臨界氣體流量Qgcr時(shí),進(jìn)口管內(nèi)液位逐漸降低,葉輪進(jìn)口處氣體開始積聚(圖8(c));隨著進(jìn)口氣相體積分率的繼續(xù)增加,葉輪中心部位氣體積聚成團(tuán),觀察發(fā)現(xiàn)在葉輪螺母附近形成一個(gè)氣相空穴?？拷~輪出口附近,高速旋轉(zhuǎn)的液體與氣體混合,形成穩(wěn)定的圓環(huán)狀氣液混合層,隨著混合層外圈氣泡被帶進(jìn)蝸殼內(nèi),氣穴內(nèi)氣相不斷補(bǔ)充形成新的氣泡(圖8(d))。此時(shí),從泵出口排出的氣體量明顯減少,泵的流量也迅速下降。

當(dāng)吸水管內(nèi)氣相高度hg達(dá)到臨界高度hgcr時(shí),葉輪中心部位積聚大量氣體(圖8(e))。此時(shí),僅有少量氣泡從泵出口排出,泵的流量幾乎為零。

繼續(xù)通氣,吸水管內(nèi)氣相高度hg會(huì)繼續(xù)增加到某一最大高度hgmax,此時(shí)離心泵內(nèi)的含氣量達(dá)到最大,氣體會(huì)突然從離心泵出口涌出(圖8(f))。關(guān)閉氣泵,吸水管內(nèi)的液位高度和葉輪內(nèi)的氣體含量保持不變,離心泵可長時(shí)間維持這種狀態(tài)運(yùn)行。

隨著少量氣泡不斷從泵內(nèi)排出,吸水管內(nèi)的液位緩慢上升,排出的氣泡數(shù)量也不斷增加,葉輪中心部位積聚的氣團(tuán)半徑不斷變小,如圖8(g)所示。當(dāng)吸水管內(nèi)液位上升到一定高度時(shí),原先積聚在葉輪中心部位的氣團(tuán)變成大的氣泡,葉輪外緣及蝸殼內(nèi)的小氣泡很快從泵出口排出,流量迅速上升,泵內(nèi)氣體很快全部排完,流量恢復(fù)至通氣前的流量,如圖8(h)所示。

圖8 離心泵內(nèi)流型隨進(jìn)口氣相體積分率的變化Fig.8 Variation of flow patterns with the inlet gas volume fraction

3.3 離心泵內(nèi)氣相分布演化規(guī)律

3.3.1 不同工況下的泵內(nèi)氣泡運(yùn)移規(guī)律

在試驗(yàn)過程中、水的初始流量調(diào)節(jié)為10 m3/h、轉(zhuǎn)速分別為400和500 r/min時(shí),通過高速攝像機(jī)拍攝不同進(jìn)口氣相體積分率下的氣液流動(dòng)，拍攝結(jié)果見圖9和10。

圖9 不同進(jìn)口氣相體積分率下泵內(nèi)氣液兩相流型(n=400 r/min)Fig.9 Gas-liquid two-phase flow patterns in the pump under different inlet gas volume fractions (n=400 r/min)

由圖9和10可見:1)在相同轉(zhuǎn)速下,隨著進(jìn)口氣相體積分率的增加,葉輪內(nèi)的氣泡開始積聚成氣團(tuán),氣團(tuán)最先是在葉輪吸力面進(jìn)口附近滯留;滯留的氣泡隨著進(jìn)口氣相體積分率增大而增多,氣團(tuán)由葉片吸力面進(jìn)口處附近向壓力面出口附近發(fā)展;由于出口附近出現(xiàn)回流對(duì)滯留氣泡的沖刷,葉片出口的吸力面幾乎全是液相;當(dāng)進(jìn)口氣相體積分率進(jìn)一步增大,葉輪流道內(nèi)的主流區(qū)完全堵塞,在葉輪中間位置處形成一個(gè)氣穴,靠近葉輪出口附近,高速旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的液體混合氣穴內(nèi)的氣體,形成一個(gè)穩(wěn)定的圓環(huán)狀氣液混合物層;此時(shí)水泵會(huì)出現(xiàn)斷流現(xiàn)象,泵的出口流量幾乎為零。

2)在達(dá)到臨界氣體流量之前,蝸殼內(nèi)的氣相以氣泡形式存在,屬于泡狀流,小氣泡基本都呈球形,大氣泡有形變,呈球形或橢球形,氣泡沿著壓水室的螺旋方向運(yùn)動(dòng),進(jìn)入出水管,從泵出口流出;隨著進(jìn)口氣相體積分率的增加,蝸殼內(nèi)流動(dòng)的氣泡數(shù)量不斷增加;當(dāng)進(jìn)口氣相體積分率超過臨界值時(shí),在蝸舌附近,壓水室內(nèi)的一部分氣泡處于停滯回旋狀態(tài),一部分氣泡跟隨液體一起回流進(jìn)葉輪,遠(yuǎn)離蝸舌的少量氣泡由于浮力的作用進(jìn)入出水管,從泵出口排出。

3)當(dāng)進(jìn)口氣相體積分率相同時(shí),轉(zhuǎn)速越大,葉輪與蝸殼內(nèi)氣泡直徑越小;當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時(shí),進(jìn)口氣相體積分率越大,葉輪與蝸殼內(nèi)氣泡直徑越大。由于氣泡密度小,所受的離心力較小,且受到由于壓力梯度引起的指向葉輪內(nèi)部的表面力作用,所以蝸殼壁面處氣泡含量較低。

3.3.2 泵內(nèi)氣相體積分率分布規(guī)律

在轉(zhuǎn)速為500 r/min、初始液體流量分別為5 、10 、15 m3/h、進(jìn)口氣相體積分率分別為0.6%、1.8%、3.2%的工況下,模擬離心泵內(nèi)氣液兩相流動(dòng)。圖11為離心泵內(nèi)的氣相體積分率(φGVF)分布云圖。

從圖11(a)中可以看出,隨著進(jìn)口氣相體積分率的增大,氣相積聚區(qū)域隨著葉輪流道中的氣相體積分率增大而不斷擴(kuò)大,使得液相受到排擠作用,導(dǎo)致部分流道發(fā)生一定程度堵塞,進(jìn)而影響葉輪葉片對(duì)液相的能量傳遞,降低了泵的性能。隨著進(jìn)口氣相體積分率的增大,氣相體積分率上升,沿著葉片尾流方向出現(xiàn)一小塊氣相體積分率較高區(qū)域。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是,受到延滯作用的影響,從葉片壓力面流出的氣泡在蝸殼進(jìn)口附近積聚。蝸殼內(nèi)氣液兩相總體上分布較均勻,蝸殼壁面附近氣相體積分率很低,這與試驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象相一致。

圖11(b)為相同進(jìn)口氣相體積分率為1.8%下泵內(nèi)氣相分布隨液體流量的變化。小流量工況(5 m3/h)下,氣相積聚在整個(gè)葉輪流道進(jìn)口部分,阻礙液相的流動(dòng)。隨著流量增加，氣相積聚區(qū)域與氣相體積分率均不斷減小,氣相積聚區(qū)向葉輪出口位置移動(dòng),葉輪流道內(nèi)的液體得以流通,促進(jìn)泵對(duì)液相介質(zhì)的輸送。

圖11 離心泵內(nèi)氣相體積分率分布Fig.11 Distribution of gas volume fraction in the centrifugal pump

3.4 氣相體積分率沿徑向的分布規(guī)律

圖12為模擬所得轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)、相同進(jìn)口氣相體積分率為0.6%、不同流量工況下離心泵內(nèi)氣相體積分率沿葉輪徑向的分布規(guī)律。從圖12中可以看出,在流量為5 m3/h工況下,進(jìn)口位置的氣相體積分率較高,說明此處有大量氣體積聚,隨后急劇下降,并一直處于較低的狀態(tài),直到靠近葉輪出口位置開始上升,在葉輪出口處達(dá)到極大值。

圖12 泵內(nèi)氣相體積分率沿徑向分布(n=500 r/min)Fig.12 Distribution of gas volume fraction in the pump along the radial direction(n=500 r/min)

流量為10和15 m3/h工況下泵內(nèi)的氣相體積分率沿徑向分布的變化趨勢(shì)基本一致。在徑向位置R為45～55 mm區(qū)域內(nèi)，氣相體積分率較小,從徑向位置R為55 mm以后開始增大,在75 mm(0.6倍葉輪半徑)處達(dá)到最大值,在蝸殼壁面氣相體積分率最小。其原因是,氣體進(jìn)入葉輪后,相對(duì)流速較高,經(jīng)過此處的氣體跟隨液體沿著流道快速朝著葉輪出口方向流動(dòng),當(dāng)流到R為55 mm之后,由于氣相相對(duì)流速有所減小以及受到葉輪流道內(nèi)漩渦的影響,氣體開始在葉片壓力面發(fā)生積聚現(xiàn)象,從此位置開始?xì)庀囿w積分率隨著徑向位置R的增大而逐步增大到最大值。該位置處于圖10(a)中的氣相積聚區(qū),模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

圖10 不同進(jìn)口氣相體積分率下泵內(nèi)氣液兩相流型(n=500 r/min)Fig.10 Gas-liquid two-phase flow patterns in the pump under different inlet gas volume fractions (n=500 r/min)

3.5 氣泡直徑沿徑向的分布規(guī)律

為了得到氣泡的直徑,對(duì)試驗(yàn)拍攝圖片使用閾值方法進(jìn)行灰度分割,識(shí)別氣泡邊界,計(jì)算得到氣泡所占像素面積,最后轉(zhuǎn)換為氣泡直徑。圖13為葉輪與蝸殼內(nèi)氣泡直徑(Dg)沿徑向的分布。由圖13可見,不同流量下氣泡直徑沿徑向的分布規(guī)律與變化趨勢(shì)在總體上是一致的,小流量工況(5m3/h)下氣相在葉輪入口處積聚,小氣泡合并成大氣泡,葉輪內(nèi)部(除入口區(qū)域)氣泡直徑比大流量下氣泡直徑小,氣泡直徑沿徑向不斷減小。流量為10 和15 m3/h工況下,氣泡直徑分別在65 和75 mm半徑處達(dá)到極大值,其原因是此處有漩渦,氣相開始積聚,使得小氣泡合并成大氣泡,由于流量的增大,使得漩渦區(qū)往葉輪出口方向移動(dòng)。隨后氣泡直徑沿著徑向緩慢下降,由于葉片對(duì)氣泡的切割作用,在靠近葉輪出口位置氣泡直徑達(dá)到最小值。在蝸殼內(nèi),剛被葉輪切小后的氣泡不斷合并成大氣泡,氣泡直徑急劇增大。受壓力梯度的影響,大氣泡難以靠近蝸殼壁面,故離蝸殼壁面越近,氣泡直徑越小。

圖13 泵內(nèi)氣泡直徑沿徑向分布(n=500 r/min)Fig.13 Distribution of bubble diameter in the pump along the radial direction(n=500 r/min)

4 結(jié)論

1)離心泵內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的模擬和試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。當(dāng)氣體流量小于臨界氣體流量時(shí),小流量(5 、7 m3/h)工況下,隨著進(jìn)口氣相體積分率的增加,泵的流量不斷減小,揚(yáng)程急劇下降;大流量工況(10 、12 、15 m3/h)下,隨著進(jìn)口氣相體積分率的增加,泵的流量先略有增大后減小,揚(yáng)程緩慢減小。

2)隨著進(jìn)口氣相體積分率的增加,吸水管內(nèi)的流型從塞狀流變?yōu)榉謱恿?葉輪內(nèi)氣泡從相對(duì)均勻分布到積聚成團(tuán)最后堵塞流道。達(dá)到臨界狀態(tài)之后,吸水管內(nèi)液相高度不斷下降,關(guān)掉氣泵后，離心泵內(nèi)流動(dòng)緩慢恢復(fù)到初始狀態(tài)。

3)隨著進(jìn)口氣相體積分率的增加,氣體在葉輪內(nèi)的積聚區(qū)域變大,葉輪內(nèi)氣團(tuán)積聚區(qū)從吸力面進(jìn)口附近往壓力面出口附近移動(dòng)。葉輪與蝸殼內(nèi)氣泡直徑隨著進(jìn)口氣相體積分率的增大而增大,隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小。隨著流量的增大,葉輪流道內(nèi)氣體的積聚區(qū)域減小。

4)小流量工況(5 m3/h)下,氣相易于在葉輪進(jìn)口位置積聚,氣泡直徑沿葉輪徑向不斷減小;大流量工況(10、15 m3/h)下,泵內(nèi)氣相體積分率和氣泡直徑沿葉輪徑向先增加后減小,在0.6倍葉輪半徑附近,氣相體積分率和氣泡直徑均達(dá)到最大值。