張敬齋+汪軍+楊駿

摘要： 重點闡述了固液兩相流泵的研究現(xiàn)狀及其進展.在內(nèi)部流動特性方面介紹了固體顆粒在葉輪內(nèi)部的流動規(guī)律，研究了泵內(nèi)部過流部件的磨損規(guī)律及抗磨措施；外部特性主要介紹了泵的幾何參數(shù)對泵性能的影響.介紹了四種固液兩相流泵的水力設(shè)計方法，并進行了分析，指出了四種設(shè)計方法對固液兩相流理論發(fā)展的影響.從理論、試驗研究和實際應(yīng)用等方面分析了固液兩相流泵性能優(yōu)化的方向，并對固液相流泵的設(shè)計和應(yīng)用作出了展望.

關(guān)鍵詞：

固液兩相流泵； 數(shù)值模擬； 設(shè)計方法

中圖分類號： TH 311文獻標(biāo)志碼： A

固液兩相流泵廣泛應(yīng)用于疏浚、煤炭、礦山開礦、化工、電力、土建、冶金和環(huán)保等行業(yè)，它輸送的對象多為水與固體顆粒混合形成的混合物[1-2].因其工作條件的特殊性，使得過流部件磨損嚴(yán)重，泵的整體壽命大大縮短，運行效率低，造成能源和設(shè)備大量浪費.這一問題引起了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視，相關(guān)理論和試驗研究也取得了一定的成果.

70年代末國內(nèi)研究人員開始了固液兩相流泵設(shè)計理論和設(shè)計方法的研究，起步相對較晚[3].此后，基于兩相流理論設(shè)計的泵開始逐步得到應(yīng)用.許多學(xué)者運用了多種新方法和新技術(shù)對固液兩相流泵進行試驗研究，積累了大量經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，為我國固液兩相流泵的研究奠定了基礎(chǔ).

1固液兩相流泵的研究現(xiàn)狀

1.1固體顆粒對固液兩相流泵運行的影響

離心泵在輸送固液兩相流時與輸送單相流時相比，其運行性能發(fā)生了很大的改變.當(dāng)所輸送固體的質(zhì)量濃度較大時，相同流量下，泵效率降低，揚程降低，功率增大，內(nèi)部磨損更嚴(yán)重.

固液兩相流對泵運行性能的影響主要有兩方面：一方面，由于固體顆粒的存在使泵磨損嚴(yán)重，尤其是過流部件；另一方面，固液兩相流泵內(nèi)部流體的流態(tài)十分復(fù)雜，不同時刻顆粒的運動狀態(tài)和受力狀態(tài)變化因素增加，泵內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換的有效性降低.

1.2固體顆粒在葉輪內(nèi)的運動規(guī)律

固體顆粒的運動特性和泵的運行性能密切相關(guān).通過了解固液兩相流泵內(nèi)部顆粒的運動軌跡和顆粒碰撞機理，可為提高固液兩相流泵的性能和使用壽命開辟新的道路.

國外學(xué)者相對較早開始此項研究.20世紀(jì)60年代開始采用高速攝影和圖像處理技術(shù)研究固體顆粒的運動規(guī)律，并取得了一系列具有代表性的研究成果.Itaya等利用高速攝像機對固體顆粒在泵內(nèi)的運動軌跡拍照，固體顆粒為玻璃球，粒徑分別為5.19、8.82、12.75 mm，葉片出口安裝角分別為15°、25°、35°、45°.將理論計算值和實測值進行對比，結(jié)果基本一致，發(fā)現(xiàn)粒徑大小對固體顆粒的運動軌跡幾乎沒有影響[4].蘇波隆利用高速攝像機拍攝了砂礫在葉輪內(nèi)的運動規(guī)律，結(jié)果表明：小顆粒（1～2 mm）沿著葉片工作面以10°左右的出口角離開葉輪；而大顆粒（8～10 mm）由于離心力作用背離葉片工作面以30°～35°的出口角離開葉輪[5].Zaya利用高速攝影技術(shù)得到直徑d分別為7.4 mm的鋼球和7.5 mm的鋁球在泵內(nèi)運動的速度實測值，研究結(jié)果表明：顆粒質(zhì)量越小越朝背離葉片工作面方向運動；顆粒質(zhì)量越大則沿著葉片工作面運動[6].國內(nèi)方面，趙敬亭等通過理論計算并經(jīng)實驗檢驗發(fā)現(xiàn)：當(dāng)顆粒密度大于某個臨界值時，顆粒自進入葉輪流道到離開葉輪流道的過程中向葉片工作面靠近；當(dāng)密度小于該臨界值時，顆粒則向葉片背面靠近，并隨著密度和粒徑的減小這種趨勢越明顯[7].許洪元等利用高速攝像機拍照并進行數(shù)值計算，顆粒分別為豆類（d=4、6、8 mm）、玻璃球（d=4、6、8 mm）、鋼球（d=6、12 mm）、石子（d=1～2 mm、5～6 mm），且在不同葉輪轉(zhuǎn)速和不同葉片形狀下進行實驗，得到葉輪中固體顆粒運動軌跡.結(jié)果表明：質(zhì)量大的粗顆粒與葉片頭部相撞獲得能量而偏離工作面運動；質(zhì)量小的細顆粒不會集中撞擊葉片頭部而是沿著葉片工作面運動，但會在工作面出口處聚集，從而磨損葉片，造成葉片尾部快速磨損[8-9].戴江利用高速攝影和圖像處理技術(shù)對固液兩相流在離心泵內(nèi)的流動規(guī)律進行了研究，得到葉輪內(nèi)d=1～2 mm砂粒的濃度分布規(guī)律[10].吳玉林等對渣漿泵內(nèi)固體顆粒的運動規(guī)律作了實驗研究，同時對渣漿泵葉輪內(nèi)的二維湍流流動進行了計算，并與實驗作了對比[11-13].

綜上所述，針對泵內(nèi)固體顆粒的運動規(guī)律研究人員有三種不同的觀點：① 顆粒質(zhì)量越大，其運動軌跡越靠近葉片工作面；② 顆粒質(zhì)量越大，其運動軌跡越偏離葉片工作面；③ 一定范圍內(nèi)顆粒質(zhì)量對其運動軌跡影響不明顯.三種結(jié)論完全不同，得出的觀點甚至完全相反.國內(nèi)大多數(shù)學(xué)者都贊同第一種觀點，在此基礎(chǔ)上形成了固液兩相流泵理論，并在固液兩相流泵的設(shè)計方面取得了一定的成果.由于實驗?zāi)M中，為便于高速攝影，固體顆粒粒徑大且質(zhì)量濃度低，因此這些研究尚無法從根本上反映運行泵內(nèi)固體顆粒的實際運動軌跡，還需進行系統(tǒng)的研究.

1.3固液兩相流泵磨損研究

由于固液兩相流泵輸送的介質(zhì)含固體顆粒，這使得磨損成為固液兩相流泵的主要問題之一，且磨損問題嚴(yán)重與否直接關(guān)系到泵的使用壽命.造成壁面磨損的原因一般分為三種：① 流體中所含顆粒沖擊造成的損傷；② 汽蝕損傷；③ 顆粒沖擊和汽蝕共同作用造成的損傷.由于顆粒沖擊損傷和汽蝕破壞之間互相影響，使過流部件磨損更加嚴(yán)重.因此，系統(tǒng)地掌握磨蝕規(guī)律能夠更好地指導(dǎo)泵內(nèi)部部件參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計，提高其工作效率和壽命.

Warman國際公司對一種高效率的幾何泵（HE）進行了磨損規(guī)律研究，主要考察了泵轉(zhuǎn)速和漿料濃度對磨損的影響.試驗中漿料保持實際工作狀況下的質(zhì)量濃度基本不變，泵體和葉輪材料采用易磨損的鑄鐵以提高磨損率，顆粒直徑d≤700 μm.試驗表明泵入口側(cè)壁的內(nèi)襯板的磨損破壞程度高于葉輪和殼襯.同時在不同的流量下對三種不同幾何設(shè)計的側(cè)襯進行沖蝕磨損研究，流量控制在0.6 Qbep～1.0 Qbep（Qbep為最高效率點對應(yīng)的流量），結(jié)果表明：側(cè)襯在大顆粒（1 000 μm）的沖蝕作用下磨損率變化不大；小顆粒時側(cè)襯的沖蝕磨損率隨流量的增加而下降[14].2007年，Khalid等對離心式渣漿泵葉輪進行了磨損失效分析，提出了降低渣漿泵磨損的措施[15].

何希杰等對渣漿泵進行了快速磨損試驗研究，試驗中葉輪和泵體均采用鑄鋁材料，以比較堅硬的石英砂為磨粒，固液混合物中固體的質(zhì)量濃度控制在30%～40%.為了測得各個階段的磨損情況，每運轉(zhuǎn)6 h（共運轉(zhuǎn)42 h）拆檢一次并更換磨粒，同時對泵體和葉輪的磨損情況進行觀測.試驗結(jié)果表明：① 磨損從葉輪進口向出口逐漸增強，磨損最嚴(yán)重的地方是葉片工作面出口部分及其出口處，同時混合物中大顆粒越多，進口處磨損越快；② 葉端總的磨損量與固液混合物液流徑向分速度有關(guān)；③ 葉輪和泵體的磨損量在總磨損時間的3/7時，磨損量分別為總磨損量（磨損前的泵體和葉輪看作為總磨損量）的53.5%和62.2%，此時揚程下降近1/3，而在磨損結(jié)束時揚程下降近1/2；④ 葉輪和泵體的磨損率在總磨損時間的1/7～3/7時為最高，磨損最快；⑤ 顆粒以很高的徑向速度撞擊泵體圓周壁面，并在此壁面上形成滑動床，所以泵體圓周壁面磨損嚴(yán)重.何希杰等還采用數(shù)理統(tǒng)計和回歸方法對渣漿泵現(xiàn)場使用壽命的試驗資料進行了分析研究，得出了預(yù)測渣漿泵使用壽命的經(jīng)驗公式，為渣漿泵設(shè)計研究、選型和現(xiàn)場運行提供了有利的工具，并提出了防磨措施[16-17].

李雙壽等[18]采用正交試驗方法對ADI（奧貝球體）渣漿泵葉片的磨損機理進行了研究，探討了葉片材料、葉片參數(shù)和熱處理工藝以及葉片力學(xué)性能、磨料等對葉片磨損的綜合影響.研究表明，材料的特性對葉片磨損的影響比葉片參數(shù)和磨料種類的影響大.觀察磨損的葉片發(fā)現(xiàn)，因受到流體作用不同，葉片不同部位的磨損程度也存在差異.ADI葉片頭部以沖擊磨損為主，磨損較嚴(yán)重；中部和尾部壓力面受切削和碾壓作用；中部和尾部吸力面以汽蝕為主，磨損最為嚴(yán)重.葉片磨損示意圖如圖1所示.該研究對葉輪葉片磨損失效機理進行了分析，并首次結(jié)合了材料的抗磨性分析，使兩個不同領(lǐng)域有了有效的結(jié)合[18].由于過流部件磨損嚴(yán)重，材料價格昂貴，很多學(xué)者提出了耐磨陶瓷內(nèi)襯、高耐磨橡膠以及SialonSiC耐磨陶瓷等三種渣漿泵的制備方法[19-21]，以減少磨損.

1.4外部特性研究

20世紀(jì)30年代起，國內(nèi)外很多研究人員開始研究漿體質(zhì)量濃度和泵本身參數(shù)對泵性能的影響.對于不同質(zhì)量濃度的漿體，泵的性能變化不同.質(zhì)量濃度一定時，泵輸送細顆粒漿體時的效率有時會高于泵輸送清水時的效率；而輸送粗顆粒漿體時的效率一般低于清水泵的效率.對于不同種類的泵，在輸送固液兩相流時都有一個最佳的輸送質(zhì)量濃度.由此可知，泵過流部件的幾何參數(shù)對泵的性能有一定的影響.葉輪出口角對泵的性能也有重要影響，在流量和轉(zhuǎn)速一定時，離心泵應(yīng)存在一個葉片出口角可使泵的效率達到最高[22].劉棟等應(yīng)用計算流體力學(xué)FLUENT軟件對3臺葉片出口安裝角不同的離心泵進行了數(shù)值模擬，分析了葉片出口安裝角對泵內(nèi)部固液兩相流場的影響.研究表明：顆粒更容易在出口安裝角大的葉片壓力面聚集，且顆粒體積分?jǐn)?shù)最大的區(qū)域偏向葉片壓力面出口，使得更多的顆粒與葉片尾部壓力面相撞，加速葉片磨蝕，故減小葉片出口角可減小顆粒聚集，從而提高葉輪壽命[23].楊華等對不同葉片包角的離心泵作了試驗與數(shù)值模擬計算.結(jié)果表明，在葉輪外尺寸相同的情況下對葉片造型的設(shè)計存在最佳的葉片包角，包角取值不宜過大也不宜過小，同時得出單圓弧葉型不是最佳葉型[24].

2固液兩相流泵的水力設(shè)計

從20世紀(jì)60年代起，國內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注固液兩相流泵的水力設(shè)計，通過改變泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)提高泵的效率.由于固液兩相流泵設(shè)計技術(shù)不成熟，只能借鑒水泵的設(shè)計方法.由于輸送介質(zhì)的特殊性，因此無法從根本上解決磨損快和泵效率低的問題.近年來，國內(nèi)外固液兩相流泵水力設(shè)計方法有以下幾種，其中前三種最常用.

2.1經(jīng)驗統(tǒng)計速度系數(shù)法

經(jīng)驗統(tǒng)計速度系數(shù)法是以清水泵的公式為基礎(chǔ)，結(jié)合國內(nèi)外泵設(shè)計資料和試驗數(shù)據(jù)推導(dǎo)出兩相流泵的設(shè)計公式.公式中引入了可反映輸送介質(zhì)影響的系數(shù).80年代初，劉湘文提出了離心式泥漿泵的設(shè)計方法[25]，其設(shè)計要點包括：葉輪外徑、葉片寬度、葉片入口角的計算公式，葉片出口角的選取，葉片型線采用雙圓弧曲線或?qū)?shù)曲線，采用螺旋形護套，壓出室水力設(shè)計和隔舌位置的確定等.

由于該方法的建立是基于相似理論，沒有從根本上脫離清水泵的設(shè)計方法，且和泵內(nèi)部的兩相流動相差太大，因此所設(shè)計的固液兩相流泵的效率較低.雖然我國專家提出了幾種經(jīng)驗公式，取得了一些成功案例[26-27]，但這些公式不能普遍應(yīng)用于固液兩相流泵的設(shè)計，而且經(jīng)驗公式的總結(jié)需要大量的數(shù)據(jù)，這樣就導(dǎo)致了這些經(jīng)驗公式的局限性.

2.2畸變速度設(shè)計法

20世紀(jì)80年代初，蔡保元教授提出了兩相流畸變速度設(shè)計法[28].其理論依據(jù)是：流體機械只能轉(zhuǎn)換液體的能量而不能轉(zhuǎn)換固體的能量，固體的能量是通過液體間接轉(zhuǎn)換的，這是由于固體顆粒是在水流“裹協(xié)”下運動，可把固體顆粒作為水流運動的不連續(xù)邊界條件.由于固體顆粒的影響造成液體的速度場和過流通道產(chǎn)生了畸變，使固體獲得一定的能量，從而產(chǎn)生運動.在泵的入口，固體顆粒的速度小于液體速度，固體顆粒對水流的過流通道產(chǎn)生阻塞作用，使水流的過流通道變窄，水流畸變速度升高.反之，在泵的出口處，固體顆粒的速度大于液體速度時，固體顆粒相則產(chǎn)生抽吸作用，使水流的過流通道擴大，水流畸變速度降低.根據(jù)兩相流的畸變速度場和兩相流理論設(shè)計出泵的葉型和流道.

水利電力部電力建設(shè)研究所使用畸變速度設(shè)計法先后研制了六種不同類型的雜質(zhì)泵.這些雜質(zhì)泵水力效率較高，泵的最高效率ηmax=70%～80%，汽蝕性能良好，泵的最高揚程Hmax=6～8 m水柱.從上可知，采用該方法研制的各種雜質(zhì)泵水力效率高，使用壽命長，并可進行高位布置.這是由于該方法將兩相流動理論應(yīng)用于固液兩相流泵的設(shè)計中，考慮了固體顆粒在流動中的影響，因此使其設(shè)計更為準(zhǔn)確可靠.該方法進一步結(jié)合了泵內(nèi)的兩相流動規(guī)律，對固液兩相流泵理論和設(shè)計方法的深入研究有極大的推動作用.

雖然該方法首次把兩相流設(shè)計理論運用到固液兩相流泵的設(shè)計中，但是該理論還存在一定的爭議，并且該方法設(shè)計的固液兩相流泵的效率取決于泵內(nèi)固體和液體的運動速度，通過計算得出的運輸方程與實際有一定的差異，因此采用此理論設(shè)計的固液兩相流泵必須要經(jīng)過統(tǒng)計分析，并結(jié)合實踐經(jīng)驗和一般水泵設(shè)計方法，才能完成設(shè)計任務(wù).

2.3兩相流速度比設(shè)計法

按固液兩相速度比進行固液兩相流泵水力設(shè)計的方法稱為兩相流速度比設(shè)計法.該方法80年代末由許洪元提出[29]，其設(shè)計理論（簡稱X理論）基本要點是：對固液兩相流泵中的固液兩相流動應(yīng)用分離流動模型，在流道不同部位固體顆粒受力不同，固液兩相之間的速度比發(fā)生變化，使兩相流體的質(zhì)量濃度比也隨之變化.將得到的速度比方程應(yīng)用于離心泵的設(shè)計中，推導(dǎo)出固液兩相流泵的設(shè)計計算式.該設(shè)計方法考慮了泵中固液兩相速度比的變化規(guī)律，使泵內(nèi)過流部件能有效地轉(zhuǎn)換能量，減少了泵的局部高速磨蝕，因此提高了泵的效率和壽命.

實踐證明，采用該方法設(shè)計的固液兩相流泵有很大的優(yōu)越性.許洪元設(shè)計了300GY-M型固液兩相流泵，并在云南錫業(yè)公司所屬新冠選礦廠進行了工業(yè)性能測試，結(jié)果表明，其效率比12PN-7型泵高14.3%，且耐磨性強，壽命長，振動和噪聲明顯減小[29]；采用該方法設(shè)計的100XG-D1型固液泵優(yōu)于國外同規(guī)格固液泵（如表1所示），最高效率達74.6%，抽送固液兩相流時最高效率高于抽送清水的最高效率，高效區(qū)寬，適應(yīng)性強，使用壽命長[30].在X型固液兩相流泵的推廣過程中發(fā)現(xiàn)，同一種口徑的固液兩相流泵因為工況不同，泵的運行參數(shù)相差較大，所以在選型時需考慮選用不同的設(shè)計參數(shù).

2.4兩相流流場分析設(shè)計法

兩相流流場分析設(shè)計法是基于固液兩相流邊界層理論提出的.該理論在設(shè)計中的利用主要有兩個方面：其一是對過流表面的水力效率分析；其二是確定泵的葉片型線.從泵的流體動力學(xué)性能方面看，葉輪的葉片優(yōu)劣并不在于葉片型線是“雙圓弧”還是“變角螺旋線”，而主要取決于固液兩相流在葉片表面沿出口方向（沿程方向）是否產(chǎn)生較大程度的邊界層分離.邊界層的分離可由邊界層理論確定，而泵的理論揚程以歐拉方程為其表現(xiàn)形式.將固液兩相流的邊界層理論和歐拉方程相結(jié)合提出了固液兩相流泵設(shè)計方法，通過流動簡化，提出了葉片型線方程[31].

這是一個較為新穎和全面的方法.隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，許多大型的流場計算及性能預(yù)測軟件隨之出現(xiàn)，例如CFD、CFX、FLUENT、STAR-CD等軟件.利用這些軟件對泵進行流動規(guī)律分析和性能預(yù)測，并對最初的設(shè)計進行修改，直至達到最佳的效果[32]，使得產(chǎn)品研發(fā)時的準(zhǔn)確性大大提高，周期更短，成本更低.但采用該方法設(shè)計的泵沒有互換性，使用范圍比較窄，很多方面需要運用傳統(tǒng)方法加以修正，但在固液兩相流泵的設(shè)計中已成為主要方法之一.

3固液兩相流泵的性能優(yōu)化

固液兩相流泵的效率主要受限于過流部件，而過流部件由于受到固體顆粒的沖擊磨損效率普遍較低.所以對固液兩相流泵效率的研究主要是針對葉輪的研究.因此人們對此進行了廣泛的研究，并建立了眾多的模型和計算方法.

Herbich等通過試驗研究了幾何參數(shù)不同的葉片對泵性能的影響，葉片線型分別取單圓弧、雙圓弧、漸開線和對數(shù)螺線等四種葉型，進口安裝角為45°，出口安裝角分別為35°、28.75°和22.5°.結(jié)果顯示，當(dāng)出口安裝角為22.5°時葉片效率最高，葉片量磨損最小.漸開線和對數(shù)螺線葉型的葉片效率無差別，比單圓弧葉片高6%左右[33].王幼民等提出了以葉輪葉片出口寬度、出口角、直徑、葉片數(shù)、進口直徑、進口角、進口寬度為設(shè)計變量，以泵的能量損失最小為目標(biāo)函數(shù)的泵葉輪的優(yōu)化設(shè)計模型及優(yōu)化計算方法[34].

除了對過流部件的優(yōu)化，很多學(xué)者在泵的其它方面也做了很多的研究，以提高泵的整體效率.在泵內(nèi)固液兩相流中，由于固體的質(zhì)量濃度不同，存在著牛頓流體和賓漢流體兩種不同的流態(tài)[35].在賓漢渣漿流體中存在著一種柱狀流動現(xiàn)象，由于柱狀流動中層流薄層內(nèi)的水成為柱體與管壁之間的潤滑劑，因此泵內(nèi)中柱狀流動的摩擦損失要比清水時小，使泵的效率和輸送效率都比較高.當(dāng)流動為紊流狀態(tài)下的牛頓流體流動時，可在流體中加入添加劑實現(xiàn)降阻，提高泵的工作效率.在實際工程中應(yīng)針對相應(yīng)的情況選擇不同的添加劑提高效率，優(yōu)化泵的性能.另外，應(yīng)根據(jù)實際情況選用相應(yīng)的固液兩相流泵，使泵的效率最大化，同時也可根據(jù)泵的工作狀態(tài)進行相應(yīng)設(shè)計.雖然此方案在具體應(yīng)用中有一定的困難，但隨著經(jīng)驗的豐富仍可實現(xiàn)批量生產(chǎn)，從而減少成本，提高固液兩相流泵效率.

目前，我國在固液兩相流泵的性能優(yōu)化方面做得還不夠好.在設(shè)計方面，已完成的固液兩相流泵的優(yōu)化計算還存在很多的問題，優(yōu)化對象有很大的局限性，同時單目標(biāo)的優(yōu)化并不能從整體上徹底提高泵的效率，優(yōu)化結(jié)果很不理想.但是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和兩相流理論的逐漸成熟，固液兩相流泵的性能將得到較大的提高.

4結(jié)論

由于固液兩相流泵內(nèi)流動的復(fù)雜性，以致很多問題還有待解決.因此，在今后的研究中，應(yīng)注意以下幾個問題：

（1） 利用數(shù)值模擬對泵內(nèi)的流動規(guī)律和顆粒分布特征進行更深入的研究，具體分析泵的磨損特性，積累數(shù)據(jù)，建立一套全面、完備的資料數(shù)據(jù)庫，為固液兩相流泵的抗磨損設(shè)計提供依據(jù).

（2） 加強固液兩相流泵水力設(shè)計的CAD、CFD軟件的開發(fā)，把最新的計算機技術(shù)應(yīng)用于固液兩相流泵的優(yōu)化設(shè)計中.

（3） 固液兩相流泵的水力設(shè)計還沒有統(tǒng)一的理論設(shè)計方法，可根據(jù)最新的兩相流理論和經(jīng)驗進行研究，建立完善的設(shè)計方法.

（4） 對現(xiàn)有固液兩相流泵的數(shù)據(jù)進行歸類，針對不同環(huán)境應(yīng)用不同種類的泵或者進行相應(yīng)的設(shè)計，以提高固液兩相流泵的工作效率.

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