柔性纤维粒子在离心泵叶轮流道内的流动特性.pdf

年 月 第 卷 第 期 张启华柔性纤维粒子在离心泵叶轮流道内的流动特性张启华，谢之昂，钟成成，康顺（江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 ；江苏大学流体机械温岭研究院，浙江 台州 ）收稿日期：；修回日期：；网络出版时间：网络出版地址：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；江苏省“六大人才高峰”项目（）；江苏大学高级人才启动基金资助项目（）第一作者简介：张启华（），男，江苏南通人，副研究员（通信作者，），主要从事离心泵设计与内部流动数值计算研究第二作者简介：谢之昂（），男，江苏句容人，硕士研究生（），主要从事流体机械内部流场研究摘要：为了探究柔性纤维粒子对离心泵外特性及其流动特性的影响，采用一台透明有机玻璃制成的模型泵进行外特性试验和 试验，分别观察了不同质量分数的纤维粒子对泵性能的影响结果表明，与输送清水介质相比，离心泵在输送一定质量分数的纤维悬浮液时，其扬程没有明显变化，而效率会有一定的提升 其中，在输送质量分数为 的纤维悬浮液时，效率提高了 在一定质量分数下，随着流量的增大，流道内的流速稳定增长，流速无较大波动 针对纤维悬浮液，高质量分数下叶片对于流场具有更高的可控性，流道内流动更为稳定 该研究验证了纤维减阻现象的产生，并对减阻效果进行了量化，为采用更大质量分数纤维的测试提供了参考关键词：柔性纤维；固液两相流；离心泵；粒子图像测速中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：张启华，谢之昂，钟成成，等 柔性纤维粒子在离心泵叶轮流道内的流动特性 排灌机械工程学报，（）：，（），（）：（），（，；，）：，第 期张启华，等柔性纤维粒子在离心泵叶轮流道内的流动特性 ，：；固液两相流被广泛运用于工业生产、污水排放、海水淡化等领域，工业生产中纤维的输送、含颗粒物污水的排放、海水的盐析现象都与其息息相关固液两相流作为流体机械领域的研究热点，具有很高的研究价值 国内外学者对能输送固液两相流的泵的外特性进行了大量研究，相继提出混合物在叶轮中运动的物理模型、输送固液混合物时泵的理论扬程及效率公式并进行了试验验证 研究发现，泵的扬程和效率随着固相体积分数的增大而减小，功率随着固相体积分数的增大而增大，且泵的最高效率点向小流量区偏移 然而大多数固液两相流的研究是采用球形颗粒，针对纤维粒子开展的研究较少 纤维悬浮液作为两相流的一种，它与包含颗粒的固液两相流有所区别 相较于以球形粒子作为固相的多相流，研究含纤维粒子的悬浮流的难度更大与颗粒相比，纤维粒子质量和体积要小很多，并具有更大的影响半径，粒子间的相互作用以及粒子与流场的相互作用会更为显著，这导致纤维更容易伴随流体运动，且在运动中会发生弯曲变形、翻转等情况 因此，深入研究纤维悬浮液的基本规律意义重大在流场中添加一定量的纤维，通过悬浮流场和纤维间的作用来改善流场的输运和流变特性或提高相应产品的机械性能和其他物理性能，是目前科学研究和工业生产中值得关注的新工艺 在流体输运机械中，可以通过添加少量长链聚合物纤维来诱导流场结构发生变化，以产生减阻效应，从而提高传输的效率 含颗粒两相流中颗粒伴随流体运动，根据浓度不同可产生相应规模的碰撞 等 发现在管道中加入椰子纤维后可产生减阻效果，推测纤维在流体中运动时缠绕形成的网格导致了这种减阻效应 等 对粗颗粒煤浆进行试验，发现体积分数为 的煤浆加入松木浆时会产生减阻效应 对比 种不同长径比的聚丙烯腈纤维，发现长度较长的纤维表现出较好的减阻效果 等 对圆柱通道内纤维悬浮液进行数值模拟，根据不同长度和柔性的纤维，研究分析了纤维初始取向角对纤维流动时产生的影响纤维悬浮液的流动情况较为复杂，探究其速度场对于研究流动规律有着至关重要的作用 早期学者们采用接触式流场测量法来研究流场，比如采用热线风速仪，这种方法会对流场产生较大的干扰 法（，）又被称为粒子图像测速法，是从 世纪 年代发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测速方法，随着近几十年来的发展，这项技术变得越来越成熟 等 使用 设备对渣浆泵内固体粒子的运动进行了详细研究，发现叶轮流道内压力面侧的颗粒体积分数要高于吸力面，颗粒趋向吸力面移动 等 采取了一种基于 技术的最小二次方差跟踪算法，此法比原先单粒子的追踪模式精度要高很多，这表明 法可以用于测量多相流系统中分散粒子的速度 张启华等 使用了毛发纤维作为流场中的纤维介质，在低质量分数下观测叶轮流道内的流动情况，发现大流量下纤维粒子的存在会使得流场分布更加均匀 通过对旋流段内部速度场的 试验和数值模拟，徐宏祥等 发现流场速度以切向速度为主，分布规律明显，并且试验和模拟结果较为吻合由于现阶段以纤维作为固相的两相流研究成果较少，文中重点利用 设备对开式叶轮离心泵内纤维悬浮液的流动情况进行研究，揭示叶轮流道内流场的运动特征和分布情况以及纤维悬浮液的流动特征，以利于相关动力设备的改进 试验设计 试验模型以一台开式叶轮离心泵为研究对象，泵结构如图 所示图 泵结构示意图 排灌机械工程学报第 卷其主要设计参数：额定流量 ，扬程 ，转速 ，叶轮叶片数 ，叶轮进口直径 ，叶轮出口直径 ，叶片出口宽度 ，叶片出口安放角 ，叶片包角 为了便于后续试验的拍摄，叶轮和蜗壳部分均采用有机玻璃制造 试验台搭建试验搭建了一座开式试验台，试验台如图 所示，主要包括试验泵、进出口阀门、流量计、储液罐、机座、轴编码器、搅拌机、转矩传感器、半螺旋形吸水室、管路支架等部分 采用敞口储液罐便于维护和调整纤维悬浮液质量分数 对试验泵的前盖板进行涂黑操作，目的是减弱盖板在拍摄过程中的反光，减小背景噪声 管路和连接弯头部分均采用 不锈钢制作 纤维材料选择了聚丙烯，其密度为 ，长度为 ，直径为 图 试验台示意图 试验使用的 试验装置来自丹迪动态公司生产的 型 ，包括成像系统、图像拍摄系统、分析系统 该 系统包含以下设备：双脉冲激光器，其单脉冲激光最大能量 ，脉冲持续时间 ，激光波长 ；激光器专用光臂，采用多关节导光臂，导光率高达 ；片光源透镜组，光源焦距 ，导光率大于 ；相机，具备 万 ，配备尼康 镜头，最大光圈 ，焦距 ；软件，可进行图像采集、分析，并显示系统操作信息，可用于 、燃烧雾化及雾化特性分析等领域 试验依靠悬浮在流场中的示踪粒子来提供速度信息，进而反映流体的速度 选择示踪粒子时要求无毒性、无腐蚀性、无磨损性、无挥发性及化学性质稳定 流场中的示踪粒子要具有良好的跟随性，进而才能反映出正确的流场速度信息 示踪粒子需要具备良好的光学特性以利于成像 粒子的密度要尽可能与流体密度接近，形状应尽可能圆且大小均匀 试验中，示踪粒子分布在流场中的质量分数对结果的精确性至关重要 质量分数过低会导致无法得到精确的流场结果，质量分数太高会使得计算结果失真 本次试验使用的粒子为美国波特工业公司生产的空心玻璃球，型号为 ，密度为 ，粒子直径为 试验台不确定度离心泵开式试验台的测试精度采用水泵效率的不确定度来评估，泵效率不确定度计算公式为 槡，（）式中：为流量测量的不确定度；为扬程测量的不确定度；为驱动机输入功率测量的不确定度 对于该试验台，因此，泵效率的测量不确定度为 槡 ，（）综上，该试验台精度能够满足 标准规定的 级精度要求 外特性试验结果及分析首先进行了外特性试验，整理了泵输送清水及质量分数为 ，的聚丙烯纤维悬浮液时的性能参数并绘制成图，以研究添加纤维是否对泵的性能产生影响 由于较小流量下纸浆泵在输送不同纤维悬浮液时外特性无明显变化，因此主要研究 至最大流量工况下的外特性曲线，如图 所示图 输送清水及质量分数为 ，纤维悬浮液下的外特性曲线 ，第 期张启华，等柔性纤维粒子在离心泵叶轮流道内的流动特性图 整理了 种质量分数以及 个不同工况下泵的外特性曲线，由图可知，随着纤维悬浮液质量分数的增大，试验泵的扬程变化较小，而效率随着纤维悬浮液质量分数的增大而增大，在小流量工况下，不同质量分数下泵的扬程和效率无显著变化；而 之后，效率增加较为明显；当工况为 时，输送最高质量分数纤维悬浮液的效率相较清水时提升了 ，说明泵在输送纤维悬浮液时由于纤维粒子的存在可能会产生减阻效应，从而影响输送介质的流动特性，提高泵的效率 试验结果及分析 后处理 试验是对叶轮流道内的介质进行拍摄，得到流场的速度信息，每次对不同质量分数和不同工况的叶轮进行 次拍摄，在确保试验精确性的同时也减轻了后处理的计算压力 对泵内流场进行研究前，还要将设备记录的绝对速度转化成相对速度不同流量下对 个速度场求平均值得到了绝对平均速度（，）（，），（）式中：（，）为瞬时速度；为时间；为速度场个数 流场分析采用相对速度场，通过将每一点的绝对速度减去叶轮的局部速度可以得到相对速度 ，（）式中：为相对速度；为叶轮转速；为叶轮上各点半径图 为试验中流道位置的示意图，试验后着重对吸力面、压力面以及中间流线的 个流道（，）内不同工况下的速度变化情况进行分析图 流道位置示意图 泵内流道流速分析图 为试验泵输送清水时不同工况流道内相对速度分布 图中 为叶轮沿进口到出口方向距离跨度图 输送清水时不同工况下流道内相对速度分布 排灌机械工程学报第 卷由图 可知，沿着叶轮进口到出口方向，吸力面、压力面、中间流线位置附近的相对速度均不断增大，并且随着流量的增大，相对速度的变化呈现以下特点：小流量下速度增长波动幅度较大，大流量下速度增长稳定，没有出现较大的波动 而对于叶轮中不同位置的流道而言，速度没有出现明显的变化图 为纸浆泵输送质量分数为 的纤维悬浮液时，分别在 ，和 工况下，吸力面、压力面和中间流线位置处不同流道内流场的相对速度变化图 输送质量分数为 纤维悬浮液时不同工况下流道内相对速度分布 由图 可知，输送质量分数为 纤维悬浮液和输送清水时的速度变化情况不同，不同流道内相对速度变化趋势区别较大，并且随着流量的增大，流道内的速度差别逐渐增大图 为纸浆泵输送质量分数为 纤维悬浮液时，分别在 ，和 工况下，吸力面、压力面和中间流线位置处不同流道内流场的相对速度变化由图 可知，质量分数为 与质量分数为 下的速度分布结果类似，流道内流速的变化趋势和清水差异较大，不同流道内的流速差异明显 时速度增幅较大，在 和 下速度增长趋势放缓 从清水到质量分数为 的纤维悬浮液，随着质量分数的增加，各流道内进出口速度差异逐渐增大，压力面出口位置处相对速度逐渐增大在 试验中，因离心泵蜗壳以及叶轮对激光的反射作用，相较于其他流道，流道 的拍摄情况更为良好，因此，接下来着重选用输送清水以及不同质量分数纤维悬浮液时，对流道 内 叶轮半径位置处从吸力面至压力面侧的流场速度信息进行比较分析，工况下的对比情况如图 所示由图 可知，在 叶轮半径处，各个工况下纸浆泵输送清水以及不同质量分数纤维悬浮液时，流道 内的速度均保持着从吸力面侧至压力面侧逐渐降低的趋势 当流量为 时，流场流动稳定且差异不大，而当流量为 和 时，种质量分数下速度的变化差异较大 随着流量的增大，流道内的流速逐渐增大且变化稳定 在不同质量分数下，纤维质量分数最高时悬浮液速度变化趋势最为平稳 当试验泵在最大流量工况下运行时，各纤维悬浮 第 期张启华，等柔性纤维粒子在离心泵叶轮流道内的流动特性液在压力面侧的相对速度大小接近 综上，对于纤维悬浮液，高质量分数下叶片对于流场具有更高的可控性，流道内流动更为稳定，分布更为均匀，试验泵效率得以提升图 输送质量分数为 纤维悬浮液时不同工况下流道内相对速度分布 图 流道 内不同工况下相对速度分布 结论）在输送一定质量分数的纤维悬浮液时，可以实现减阻的效果 随着纤维悬浮液质量分数的增大，泵扬程没有产生明显的变化，但是效率出现了一定程度的提升 其中，在输送质量分数为 纤维悬浮液时，平均效率可以提升 以上）在不同工况下叶轮各流道内，各位置处的相对速度均沿着叶轮进口到出口方向保持着逐渐增大的趋势，并且较大流量工况相对于较小流量工况，速度的变化起伏更为平缓 在清水以及不同质量分数的纤维悬浮液中，在叶轮进口到出口的中间区域速度变化最为平缓，在靠近叶轮出口处相对速度 排灌机械工程学报第 卷增长幅度逐渐变大，并在出口处达到最大值）沿着吸力面侧至压力面侧，流道内的相对速度逐渐减小 随着纤维质量分数和流量的逐渐增大，叶轮流道内的相对速度变化趋势更为平缓，一定程度上改善了叶轮流道内的流动状况参考文献（）倪福生，杨年浩，孙丹丹 固液两相流泵的研究进展 矿山机械，（）：，（）：（）张敬斋，汪军，杨骏 固液两相流泵的研究现状及展望 能源研究与信息，（）：，（）：，（）宋玲 固液两相流泵的研究现状分析 科技资讯，（）：，（）：（）杨炜，林建忠 纤维悬浮流中纤维取向分布和流变特性研究 水动力学研究与进展（辑），（）：，（）：（），：，（）：，：，?，（）：，（）：许联锋，陈刚，李建中，等 粒子图像测速技术研究进展 力学进展，（）：，（）：（），（）：，：张启华，闫召旭，张为栋，等 开式离心纸浆泵叶轮流道内部流场 试验研究 排灌机械工程学报，（）：，（）：（）徐宏祥，王永田，刘炯天，等 基于 浮选柱旋流场的测试与模拟 煤炭学报，（）：，（）：（）马晓堂，宋文武，舒乙宸，等 离心泵启动过程内部流动瞬态特性分析 机电工程，（）：，（）：（）（责任编辑盛杰）