李重慶，邵春雷, 2

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低比轉(zhuǎn)速離心泵氣液兩相流動(dòng)的可視化試驗(yàn)及數(shù)值模擬

李重慶1，邵春雷1, 2

(1. 南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 南京，211816；2. 常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 江蘇省綠色過程裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 常州，213164)

低比轉(zhuǎn)速離心泵；氣液兩相流；流型；高速攝像機(jī)；氣泡直徑

離心泵廣泛應(yīng)用于農(nóng)田灌溉、石油化工、動(dòng)力工業(yè)、城市給排水、采礦和船舶工業(yè)等領(lǐng)域[1?2]。在工程實(shí)踐中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)泵輸送中含有氣液兩相混合物，泵在啟動(dòng)過程中真空度不高或者正常運(yùn)行情況下管道漏氣等情況，使泵內(nèi)介質(zhì)在較短的時(shí)間內(nèi)由原來的單相流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的氣液兩相流動(dòng)，導(dǎo)致泵的性能下降，甚至產(chǎn)生斷流或發(fā)生更嚴(yán)重的事故[3]，因此，有必要對(duì)泵內(nèi)氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行研究。近年來，人們對(duì)離心泵內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的規(guī)律進(jìn)行了大量研究。在數(shù)值模擬方面，余志毅等[4]基于細(xì)泡狀流假設(shè)對(duì)混輸泵內(nèi)氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行了非定常流動(dòng)模擬，分析了進(jìn)口延伸段產(chǎn)生“不連續(xù)氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)”現(xiàn)象的原因，發(fā)現(xiàn)氣相漩渦是造成氣相積聚的主要因素之一。袁建平等[5]基于Eulerian-Eulerian非均相流模型對(duì)不同進(jìn)口含氣率下離心泵內(nèi)的定常與非定常流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，通過分析葉輪內(nèi)氣相分布情況和氣液兩相的速度場(chǎng)提出葉輪流道內(nèi)漩渦的產(chǎn)生與氣相積聚有很大關(guān)系，而當(dāng)進(jìn)口含氣率不超過10%時(shí)，氣相體積分?jǐn)?shù)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)的主頻影響不大。HAZRA等[6]采用雷諾時(shí)均方程和混合長(zhǎng)度模型模擬連續(xù)相，用拉格朗日方法模擬分散相，對(duì)泵內(nèi)的稀疏兩相流進(jìn)行了研究。李昳 等[7]采用修正的控制方程對(duì)漩渦泵內(nèi)氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，其研究結(jié)果表明進(jìn)口含氣率越高，葉輪內(nèi)靜壓下降程度越嚴(yán)重。李貴東等[8?9]采用Eulerian- Eulerian非均相流模型對(duì)離心泵內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行了瞬態(tài)數(shù)值模擬，分析了不同進(jìn)口氣相體積分?jǐn)?shù)下葉輪流道內(nèi)氣相分布規(guī)律，并研究了不同氣相體積分?jǐn)?shù)下葉片載荷、葉輪徑向力、葉輪轉(zhuǎn)矩、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣相體積分?jǐn)?shù)和壓力脈動(dòng)情況。付強(qiáng)等[10]研究了核主泵葉片進(jìn)口邊安放位置對(duì)泵內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的影響，設(shè)計(jì)了3種進(jìn)口邊安放方案，并分別進(jìn)行了定常與非定常流動(dòng)的數(shù)值模擬，通過對(duì)比模擬結(jié)果得到最佳的葉片進(jìn)口邊安放方案，并發(fā)現(xiàn)隨著含氣率增加，試驗(yàn)值與模擬值出現(xiàn)較大的偏差。CARIDAD等[11]基于離心泵葉輪內(nèi)氣泡受力分析的數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)離心泵氣液兩相進(jìn)行模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果作對(duì)比，得出了氣液兩相條件下泵的揚(yáng)程損失、氣泡直徑與進(jìn)口氣相體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系。朱榮生等[12]模擬了泵內(nèi)氣液兩相的瞬態(tài)流場(chǎng)，研究了不同導(dǎo)葉出口邊安放位置對(duì)核主泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)及含氣率脈動(dòng)的影響，并得出最佳的導(dǎo)葉出口邊安放位置。在試驗(yàn)研究方面，GRUSELLE 等[13]通過試驗(yàn)對(duì)離心泵的不同設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)展了離心泵的理論模型，為離心泵的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，并將結(jié)果推廣到輸送油氣混合介質(zhì)。ZHANG等[14]使用高速攝像機(jī)拍攝了三級(jí)混輸泵內(nèi)各級(jí)的流動(dòng)情況，分析了氣泡和氣團(tuán)在各級(jí)流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，并統(tǒng)計(jì)了不同轉(zhuǎn)速和進(jìn)口氣相體積分?jǐn)?shù)下氣泡直徑，得出了氣泡直徑隨轉(zhuǎn)速和進(jìn)口氣相體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。BARRIOS等[15]從理論和試驗(yàn)兩方面對(duì)潛油電泵內(nèi)的氣液兩相流進(jìn)行了研究，分析了泵內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)和空泡的行為，并對(duì)空泡直徑和內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了可視化測(cè)量。VERDE等[16]采用高速攝像機(jī)拍攝到了潛油電泵葉輪全流道及葉輪內(nèi)局部區(qū)域的流型變化情況，分析了各個(gè)流型對(duì)泵性能的影響，同時(shí)采用當(dāng)量直徑計(jì)算小進(jìn)口含氣率下葉輪內(nèi)的氣泡直徑，并繪制成直方圖觀察氣泡直徑隨進(jìn)口含氣率的變化規(guī)律。袁壽其等[17]使用高速攝像機(jī)拍攝了離心泵進(jìn)水管內(nèi)氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡。TREVISAN等[18]在原型泵的基礎(chǔ)上研制出透明的模型泵，在不同的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行了兩相流試驗(yàn)，揭示了黏度對(duì)兩相流流動(dòng)形態(tài)和泵水力性能的影響。上述研究對(duì)本文的數(shù)值模擬和高速攝像試驗(yàn)的開展均具有參考價(jià)值，但低比轉(zhuǎn)速離心泵內(nèi)部氣液兩相流型及葉輪流道內(nèi)氣泡直徑隨初始液相流量的變化關(guān)系有待進(jìn)一步研究，泵外特性隨泵內(nèi)流型的變化規(guī)律有待進(jìn)一步揭示。本文作者采用高速攝像技術(shù)對(duì)葉輪流道內(nèi)氣液兩相的流動(dòng)進(jìn)行可視化試驗(yàn)研究，分析低比轉(zhuǎn)速離心泵葉輪流道內(nèi)流型和氣泡直徑隨進(jìn)口氣相體積分?jǐn)?shù)0的變化規(guī)律以及流型對(duì)泵外特性的影響，同時(shí)對(duì)模型泵進(jìn)行定常流動(dòng)的數(shù)值模擬。研究結(jié)果可為針對(duì)不同流型的氣液兩相流模型的開發(fā)以及兩相流模擬時(shí)氣泡直徑的確定提供參考。

1 數(shù)值模擬方法和試驗(yàn)方法

1.1 建模與網(wǎng)格劃分

圖1 模型泵

圖2 模型計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

數(shù)值計(jì)算采用Eluerian-Eulerian非均相流模型；考慮相間的滑移速度和動(dòng)量傳遞等，湍流模型選用RNG?兩方程模型；壓力速度耦合采用Phase Coupled SIMPLE算法；氣液兩相之間的曳力模型選用Gidaspow模型。在計(jì)算過程中進(jìn)行如下假設(shè)：1) 泵內(nèi)氣液兩相均為不可壓縮相，其中液相為連續(xù)相，氣相為離散相，各相物性為常數(shù)；2) 氣相為球形氣泡且分布均勻；3) 忽略兩相間的質(zhì)量傳遞和熱量傳遞。

進(jìn)口采用速度進(jìn)口邊界條件且假設(shè)進(jìn)口速度分布均勻，氣液兩相間速度相等，給定進(jìn)口的湍流強(qiáng)度、水力直徑和氣相濃度；出口采用自由出流(outflow)邊界條件，壁面無(wú)滑移；近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

1.3 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

泵內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的可視化試驗(yàn)裝置如圖3所示。儲(chǔ)罐內(nèi)的水經(jīng)模型泵抽送后又回到儲(chǔ)罐內(nèi)，氣體由儲(chǔ)罐頂部排出。氣泵提供的空氣與水在泵進(jìn)口管前混合后進(jìn)入模型泵內(nèi)，氣體流量由氣體調(diào)節(jié)閥控制，由轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。泵進(jìn)出口壓力由進(jìn)出口測(cè)壓管上的壓力傳感器測(cè)得，泵的轉(zhuǎn)速通過變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1—儲(chǔ)罐；2—出口閥門；3—流量計(jì)；4—金屬軟管； 5—出口壓力；6—模型泵；7—電動(dòng)機(jī)；8—進(jìn)口閥門； 9—電控柜；10—高速攝像機(jī)；11—進(jìn)口壓力計(jì)；12—?dú)獗茫?3—轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

為了用高速攝像機(jī)拍攝泵內(nèi)的流動(dòng)情況，模型泵采用有機(jī)玻璃進(jìn)行制造，結(jié)構(gòu)參照IS80-50-250型低比轉(zhuǎn)速離心泵。受拍攝位置的限制，高速攝像機(jī)很難拍攝到泵全流道內(nèi)的流動(dòng)情況，故將泵流道分為4個(gè)區(qū)域進(jìn)行拍攝。模型泵區(qū)域劃分如圖4所示。本文主要研究區(qū)域I內(nèi)氣液兩相的流動(dòng)情況。

高速攝像機(jī)的型號(hào)為i-SPEED 3，拍攝頻率設(shè)置為1 000 幀/s，曝光時(shí)間為0.1 ms，拍攝所得圖像的分辨率為1 280×1 024。在拍攝過程中，借助LED光源提供輔助光線。通過變頻器調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速為600 r/min，通過出口閥門調(diào)節(jié)泵的流量分別為5，7，10，12和15 m3/h，氣體流量通過氣體調(diào)節(jié)閥從小到大依次調(diào)節(jié)，待運(yùn)行穩(wěn)定后采用高速攝像機(jī)拍攝泵內(nèi)的流動(dòng)情況。

圖4 模型泵4個(gè)區(qū)域

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 葉輪內(nèi)流型隨進(jìn)口氣相體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律

圖5 離心泵的壓差損失曲線

(a) 泡狀流(=0.4%)；(b) 聚合泡狀流(=1.2%)；(c) 氣團(tuán)流(=2.0%)；(d) 分層流(=3.5%)

2.2 葉輪內(nèi)部氣泡直徑隨進(jìn)氣量的變化規(guī)律

圖7 采樣點(diǎn)的位置

當(dāng)轉(zhuǎn)速為600 r/min、初始液相流量為15 m3/h時(shí)，葉輪內(nèi)部氣泡直徑隨進(jìn)氣量的變化見圖8。由圖8可知：當(dāng)g=1 L/min時(shí)，所選的氣泡中氣泡直徑集中分布在0.58~0.75 mm，該直徑范圍內(nèi)氣泡數(shù)占所選氣泡總數(shù)的76%；直徑在0.60~0.65 mm內(nèi)的氣泡數(shù)量最多；氣泡平均直徑為0.61 mm。當(dāng)g增大到2 L/min時(shí)，直方圖中氣泡直徑向大直徑方向偏移，此時(shí)，氣泡直徑集中分布區(qū)域偏移到0.55~0.80 mm，該直徑范圍內(nèi)的氣泡數(shù)占?xì)馀菘倲?shù)的79%；氣泡平均直徑增大到0.64 mm。當(dāng)g增大到3 L/min時(shí)，直方圖中的氣泡直徑明顯增大，氣泡直徑集中分布區(qū)域繼續(xù)向大直徑方向偏移，為0.75~0.95 mm，氣泡數(shù)占總數(shù)的82%；氣泡平均直徑增大到0.85 mm。由此可見：隨著g增大，葉輪流道內(nèi)氣泡數(shù)量明顯增多，小氣泡聚合成大氣泡使得葉輪流道內(nèi)氣泡直徑明顯增大。

(a) Ql=15 m3/h, Qg=1 L/min；(b) Ql=15 m3/h, Qg=2 L/min； (c) Ql=15 m3/h, Qg=3 L/min

2.3 葉輪內(nèi)氣泡直徑隨初始液相流量的變化規(guī)律

試驗(yàn)中，調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速為600 r/min，進(jìn)氣量固定為1 L/min，泵的液相流量l分別為5，7和10 m3/h。氣泡的選取仍按照極坐標(biāo)定位置的方式選取，每個(gè)流量下選取140個(gè)氣泡得出氣泡直徑并繪制成直方圖，觀察氣泡直徑隨初始液相流量的變化規(guī)律。

(a) Ql=5 m3/h, Qg=1 L/min；(b) Ql=7 m3/h, Qg=1 L/min；(c) Ql=10 m3/h, Qg=1 L/min

葉輪內(nèi)部氣泡直徑隨液相流量的變化見圖9。由圖9可知：當(dāng)l=5 m3/h時(shí)，葉輪內(nèi)部氣泡直徑集中分布區(qū)域?yàn)?.90~1.20 mm，數(shù)量占?xì)馀菘倲?shù)的88%，其中直徑為0.95~1.00 mm的氣泡數(shù)量最多；氣泡平均直徑為1.00 mm；當(dāng)l=7 m3/h時(shí)，葉輪內(nèi)部氣泡直徑集中分布區(qū)域向小直徑方向偏移，為0.80~1.10 mm，氣泡數(shù)占總數(shù)的89%，直徑為0.90~0.95 mm的氣泡數(shù)量最多；氣泡平均直徑減小到0.93 mm。當(dāng)液相流量l增大到10 m3/h時(shí)，葉輪內(nèi)部氣泡集中區(qū)域繼續(xù)向左偏移(小直徑方向)，為0.70~1.00 mm，氣泡數(shù)占總數(shù)的94%，直徑在0.80~0.85 mm內(nèi)的氣泡數(shù)量最多；氣泡平均直徑進(jìn)一步減小到0.82 mm。隨著液相流量增大，液相對(duì)氣相的沖刷作用使得葉輪流道內(nèi)氣泡數(shù)量減少；同時(shí)，液相流量增大使得氣液兩相間的滑移速度增大，氣泡所受的曳力增大，在多種因素共同作用下，大氣泡轉(zhuǎn)變?yōu)樾馀?，氣泡直徑減小。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果試驗(yàn)驗(yàn)證

1—試驗(yàn)結(jié)果；2—數(shù)值模擬結(jié)果。

3.2 葉輪流道內(nèi)氣泡的運(yùn)移規(guī)律

/%：(a) 0.6；(b) 1.2；(c) 2.3；(d) 2.9；(e) 3.5；(f) 4.0

圖12 單個(gè)氣泡的受力分析

3.3 不同進(jìn)口氣相體積分?jǐn)?shù)下葉片表面中間流線氣相體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律

(a) 壓力面；(b) 吸力面

4 結(jié)論

2) 當(dāng)初始液相流量不變，進(jìn)氣量由1 L/min增大到3 L/min時(shí)，葉輪內(nèi)部氣泡數(shù)量增加，氣泡聚合成大氣泡，葉輪內(nèi)氣泡平均直徑由0.61 mm增大到 0.85 mm；當(dāng)保持進(jìn)氣量不變，液相流量由5 m3/h增大到10 m3/h時(shí)，液相對(duì)氣相的沖刷作用使葉輪流道內(nèi)氣相區(qū)域減小，氣泡的平均直徑由1.00 mm減小到0.82 mm。

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(編輯 伍錦花)

Visualization experiment and numerical simulation of gas-liquid two phase flow in a low specific speed centrifugal pump

LI Chongqing1, SHAO Chunlei1, 2

(1. School of Mechanical and Power Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Green Process Equipment, School of Mechanical Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China)

In order to study the change rule of gas-liquid two-phase flow patterns and bubble diameter in a low specific speed centrifugal pump, high-speed camera was used to perform the visualization experiment. Moreover, Eulerian-Eulerian inhomogeneous model and RNG?turbulence model were used to simulate the internal flow of the pump. The change rule of gas volume fractions on the midline of the blade surface with the relative position of midline at different inlet gas volume fractions was obtained. The results show that when the inlet gas volume fraction increases from 0.4% to 3.5%, four flow patterns including bubble flow, agglomerated bubble flow, gas pocket flow and segregated flow occur, and differential pressure loss of the pump gradually increases. When the inlet gas flow rate increases from 1 L/min to 3 L/min, bubble average diameter gradually increases from 0.61 mm to 0.85 mm. When the inlet liquid flow rate increases from 5 m3/h to 10 m3/h, bubble average diameter gradually decreases from 1.00 mm to 0.82 mm. Gas volume fraction on the midline of the pressure side and the suction side of the blade firstly increases and then gradually decreases from the inlet to outlet of the impeller. Due to gas vortex, the gas volume fraction slightly increases near the outlet of the impeller. Moreover, as the inlet gas volume fraction increases, the area of gas agglomerated region near the pressure side gradually increases.

low specific speed centrifugal pump; gas-liquid two-phase flow; flow pattern; high-speed camera; bubble diameter

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.11.030

TH311

A

1672?7207(2018)11?2877?09

2017?11?16；

2018?01?29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51306087)；江蘇省“六大人才高峰”項(xiàng)目(GDZB-032)；江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(17KJA480003)；江蘇省綠色過程裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金資助項(xiàng)目(GPE201704) (Project(51306087) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(GDZB-032) supported by the Six Talent Peaks Program in Jiangsu Province; Project(17KJA480003) supported by the Natural Science Foundation of Higher Education Institutions of Jiangsu Province; Project (GPE201704) supported by the Jiangsu Key Laboratory of Green Process Equipment)

邵春雷，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事流體測(cè)控技術(shù)和流體機(jī)械研究；E-mail: chunlei-shao@njtech.edu.cn