張啟華，閆召旭，張為棟，康順

(江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著中國(guó)社會(huì)的發(fā)展，紙張和紙板的消費(fèi)量在逐年上升.作為紙張生產(chǎn)流程中重要的耗能設(shè)備，紙漿泵占紙廠生產(chǎn)所耗電量的15%以上.顯然，對(duì)紙漿泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行研究提其性能和效率，對(duì)紙廠節(jié)能減排、降低生產(chǎn)成本等具有重要意義.

目前，針對(duì)紙漿泵的研究主要包括試驗(yàn)和數(shù)值模擬2種方法.對(duì)紙漿泵及其配套設(shè)備的真漿試驗(yàn)主要集中于紙漿濃度、含氣率等對(duì)泵性能的影響方面[1-3]，對(duì)紙漿懸浮液流場(chǎng)的研究大多以數(shù)值計(jì)算為主[4].楊凌波等[5]采用Euler-Euler和Euler-Lagrange兩相流模型對(duì)離心紙漿泵內(nèi)紙漿對(duì)泵的磨損進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算研究.COTAS等[6]依據(jù)紙漿的非牛頓流體特性，對(duì)壁面函數(shù)進(jìn)行修正，通過數(shù)值模擬研究了管道中紙漿懸浮液的減阻特性.張啟華等[7]采用纖維-流動(dòng)耦合模型對(duì)半開式葉輪離心泵內(nèi)纖維取向變化進(jìn)行數(shù)值模擬.然而，對(duì)于紙漿泵內(nèi)部含纖維顆粒的試驗(yàn)研究還鮮見文獻(xiàn)報(bào)道.

離心泵內(nèi)部流場(chǎng)的試驗(yàn)研究包括激光多普勒測(cè)速、高速攝影和粒子圖像測(cè)速(particle image velocimetry，PIV)等.其中PIV作為一種非接觸式流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，越來越多地應(yīng)用到離心泵等旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)部的流場(chǎng)測(cè)量中[8-10].GU等[11]利用PIV研究了渣漿泵葉輪內(nèi)固體顆粒的運(yùn)動(dòng)，結(jié)果表明葉片壓力面顆粒濃度高于吸力面表面的顆粒濃度，并且在葉輪流道內(nèi)顆粒相的運(yùn)動(dòng)速度比液相運(yùn)動(dòng)速度更快.徐立群等[12]采用PIV對(duì)泥泵葉輪內(nèi)的中砂和粗砂2種顆粒的相對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行了拍攝，顯示中砂相對(duì)速度大于液相，而粗砂相對(duì)速度在流道前半段小于液相，在后半段和液相相差不大.趙會(huì)靈等[13]通過PIV對(duì)固液兩相平板湍流邊界層進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明顆粒的存在使湍流邊界層中流體脈動(dòng)增強(qiáng).HOUT等[14]采用PIV和數(shù)字全息技術(shù)相結(jié)合的方法，對(duì)結(jié)絮的剛性纖維懸浮液中纖維間相互作用進(jìn)行研究.以上固液兩相流PIV試驗(yàn)研究主要以球形顆粒為主，而較少涉及對(duì)離心泵內(nèi)以紙漿懸浮液為代表的細(xì)長(zhǎng)顆粒懸浮液兩相流的研究.

文中以三葉片開式葉輪離心紙漿泵為研究對(duì)象，先以清水為介質(zhì)，對(duì)泵內(nèi)清水流場(chǎng)進(jìn)行PIV試驗(yàn).然后，以頭發(fā)纖維懸浮液為介質(zhì)，對(duì)紙漿泵葉輪內(nèi)的液相流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，并與清水結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析纖維顆粒對(duì)泵內(nèi)液相流場(chǎng)的影響.

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y(cè)量裝置

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅脼橐慌_(tái)扭曲葉片開式葉輪紙漿泵，葉輪葉片數(shù)Z=3，主要結(jié)構(gòu)部件包括葉輪、蝸殼、前擋板、軸等.為便于PIV拍攝，采用半螺旋吸水室結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)軸穿過吸水室與葉輪直連.蝸殼和半螺旋吸水室之間通過夾具固定，泵整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.模型泵的主要幾何參數(shù)分別為葉輪進(jìn)口直徑D1=70 mm，出口直徑D2=184 mm，葉輪出口寬度b2=17 mm，蝸殼基圓直徑D3=191 mm，蝸殼出口直徑D4=70 mm.

圖1 模型泵結(jié)構(gòu)及零件

模型泵的蝸殼和葉輪采用透明有機(jī)玻璃制造.有機(jī)玻璃具有透光性好、拋光處理后表面粗糙度低等優(yōu)點(diǎn).前擋板的材質(zhì)為不銹鋼，為了減小前擋板對(duì)PIV激光的反射影響，將前擋板使用油漆進(jìn)行涂黑.蝸殼、葉輪和前擋板實(shí)物如圖2所示.

圖2 模型泵蝸殼、葉輪和前擋板

1.2 測(cè)量裝置

圖3為試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)圖，主要由模型泵、三相異步電動(dòng)機(jī)、流量計(jì)、管道、閥門和罐體等組成.

圖3 試驗(yàn)臺(tái)示意圖

外特性測(cè)試設(shè)備主要包括進(jìn)出口壓力變送器、電磁流量計(jì)、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器和泵參數(shù)測(cè)量?jī)x等.PIV試驗(yàn)設(shè)備由TSI公司生產(chǎn)的PIV測(cè)試系統(tǒng)和外觸發(fā)同步系統(tǒng)2部分組成.PIV測(cè)試系統(tǒng)主要由YAG200-NWL型脈沖激光器、610015- SOL型光臂及其片光源透鏡系統(tǒng)、610035型同步器、630059POWERVIEW型CCD相機(jī)等組成.外觸發(fā)同步系統(tǒng)主要包括軸編碼器、同步觸發(fā)控制器主機(jī)和光纖傳輸轉(zhuǎn)換器等.采用Insight 3G和Tecplot軟件進(jìn)行PIV試驗(yàn)圖像采集和處理.

2 試 驗(yàn)

2.1 外特性試驗(yàn)方案設(shè)置

對(duì)于開式葉輪離心式紙漿泵而言，葉輪與前后擋板之間的間隙大小對(duì)泵的整體性能以及介質(zhì)通過性具有重要的影響.文中選取葉輪與前后擋板之間間隙大小分別為0.5 mm和0.9 mm時(shí)進(jìn)行外特性試驗(yàn).由于采用夾具固定密封，在靠近關(guān)死點(diǎn)時(shí)密封會(huì)出現(xiàn)少量泄漏，故選擇外特性試驗(yàn)時(shí)從小流量工況點(diǎn)開始，每隔3.35 m3/h進(jìn)行1次測(cè)量，直到最大流量工況點(diǎn)結(jié)束，共測(cè)量13個(gè)流量點(diǎn).

2.2 PIV測(cè)量工況

為了研究不同流量工況下葉輪流道內(nèi)速度流場(chǎng)的變化情況，在葉輪與前后擋板間隙為0.9 mm時(shí)，選取0.50Qd，0.75Qd，1.00Qd，1.25Qd，1.75Qd，1.80Qd等6個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行PIV測(cè)量.

2.3 PIV拍攝截面及拍攝相位

在開式葉輪離心泵內(nèi)，由于葉輪為扭曲葉片，葉輪與前后擋板之間的不同軸向位置對(duì)葉輪流道的流場(chǎng)產(chǎn)生影響.為了研究扭曲葉片對(duì)葉輪流道內(nèi)流場(chǎng)的影響，清水PIV試驗(yàn)選取葉輪區(qū)域內(nèi)3個(gè)截面進(jìn)行拍攝，這3個(gè)截面都垂直于泵軸.第一個(gè)截面選取在葉輪出口寬度距離前間隙2 mm處，記為截面Z1；第二個(gè)截面選取在葉輪出口寬度中間位置，記為截面Z2；第三個(gè)截面選取在葉輪出口寬度距離后間隙2 mm處，記為截面Z3.3個(gè)截面位置如圖4所示.

圖4 PIV拍攝截面圖

PIV試驗(yàn)采取相平均的方法進(jìn)行，即在每個(gè)相位點(diǎn)拍攝N張圖片，使用Insight 3G軟件將所拍攝的圖片進(jìn)行平均處理，得到每一相位下的流場(chǎng)信息.通過軸編碼器和外觸發(fā)同步控制系統(tǒng)，控制相機(jī)在葉輪的葉片掠過蝸殼隔舌位置時(shí)進(jìn)行拍攝.為了觀察葉輪和蝸殼之間的動(dòng)靜干涉對(duì)葉輪流道流場(chǎng)的影響，葉輪每旋轉(zhuǎn)20°進(jìn)行一組試驗(yàn).當(dāng)葉輪的第一個(gè)葉片掠過蝸殼隔舌位置時(shí)開始第一組試驗(yàn)，記此時(shí)葉輪的相位角作為0°，葉輪旋轉(zhuǎn)100°為最后一組試驗(yàn)，共進(jìn)行6組試驗(yàn).為表述簡(jiǎn)便，將隔舌位置處的葉片設(shè)為葉片1，沿順時(shí)針方向的第二和第三個(gè)葉片分別為葉片2和葉片3.記葉片1左邊的流道為L(zhǎng)1，順時(shí)針方向第二和第三個(gè)流道分別為L(zhǎng)2和L3，如圖5所示.當(dāng)N>100時(shí)，拍攝圖片張數(shù)對(duì)相平均后的流場(chǎng)影響很小[15-16]，所得到的流場(chǎng)可視為準(zhǔn)穩(wěn)定流態(tài).在頭發(fā)懸浮液PIV試驗(yàn)中，頭發(fā)顆粒會(huì)遮擋示蹤粒子，影響在后處理時(shí)示蹤粒子的識(shí)別，為了增加試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)中每個(gè)相位點(diǎn)的拍攝張數(shù)選為N=300.

圖5 葉輪初始相位

2.4 示蹤粒子及試驗(yàn)介質(zhì)

PIV試驗(yàn)所使用的示蹤粒子為直徑約20 μm的空心玻璃球，該示蹤粒子具有較好的跟隨性和反光特性.不同于清水PIV試驗(yàn)，在固液兩相流PIV試驗(yàn)中，當(dāng)固相顆粒濃度較大時(shí)，會(huì)對(duì)激光產(chǎn)生遮擋，因此試驗(yàn)介質(zhì)為質(zhì)量濃度0.1%的頭發(fā)纖維懸浮液.試驗(yàn)研究了長(zhǎng)度為1～2 cm和2～4 cm的纖維顆粒對(duì)葉輪流道內(nèi)流場(chǎng)的影響，限于篇幅，文中僅對(duì)長(zhǎng)度為在2～4 cm時(shí)頭發(fā)顆粒對(duì)流場(chǎng)的影響進(jìn)行分析.纖維顆粒實(shí)物如圖6所示.

圖6 頭發(fā)顆粒實(shí)物

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 外特性試驗(yàn)結(jié)果

圖7為在間隙0.5，0.9 mm時(shí)的泵的揚(yáng)程、效率和軸功率曲線，可以看出：當(dāng)間隙為0.5 mm時(shí)泵的最優(yōu)工況點(diǎn)流量為28.76 m3/h，最優(yōu)工況點(diǎn)的效率為62.05%；間隙為0.9 mm時(shí)最優(yōu)工況點(diǎn)流量為26.82 m3/h，最優(yōu)工況點(diǎn)效率為53.35%；間隙調(diào)整前后泵的效率、揚(yáng)程和軸功率變化趨勢(shì)基本相同，效率、揚(yáng)程和軸功率隨著間隙的增大而下降，最優(yōu)工況點(diǎn)向小流量工況偏移，且間隙大小對(duì)效率的影響隨著流量的增大逐漸增大.

圖7 不同間隙下泵的性能曲線對(duì)比

3.2 清水PIV試驗(yàn)結(jié)果

通過PIV試驗(yàn)測(cè)得的速度實(shí)際上是葉輪內(nèi)流體的絕對(duì)速度，為了分析流體相對(duì)于葉輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通常要將絕對(duì)速度矢量分解，進(jìn)而得到葉輪流道內(nèi)流體的相對(duì)速度.

3.2.1 不同流量下葉輪流道內(nèi)相對(duì)速度分布

在進(jìn)行PIV試驗(yàn)時(shí)，激光從泵的左側(cè)投射，因?yàn)楸幂S遮光的原因，在泵軸右側(cè)沒有激光，因此在后處理時(shí)略去了這一區(qū)域.圖8為輸送介質(zhì)為清水時(shí)，在截面Z2內(nèi)不同流量下葉輪流道內(nèi)流體的相對(duì)速度分布.

圖8 清水介質(zhì)不同流量下相對(duì)速度分布

由圖8可以看出：在0.50Qd～1.75Qd工況內(nèi)，葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)相對(duì)比較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯的軸向旋渦和脫流現(xiàn)象；在大流量工況下，在葉輪流道不同區(qū)域內(nèi)流速變化相對(duì)比較平穩(wěn)，沒有明顯的低速區(qū)出現(xiàn)；隨著流量的下降，在流速下降的同時(shí)，在流道內(nèi)開始產(chǎn)生低速區(qū)；在流道L1內(nèi)，當(dāng)流量下降為1.25Qd時(shí)，在葉輪流道中段靠近壓力面附近觀察到低速區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)液體的流速小于周圍區(qū)域內(nèi)的流速，但差距并不明顯；隨著流量進(jìn)一步降低，低速區(qū)的面積逐漸擴(kuò)大，低速區(qū)內(nèi)流速與周圍流速差距增大；當(dāng)流量下降為0.75Qd時(shí)，在葉輪流道中段壓力面表面觀察到明顯的低速區(qū)；當(dāng)流量下降為0.50Qd時(shí)，低速區(qū)的面積迅速發(fā)展擴(kuò)大，且低速區(qū)內(nèi)流速明顯低于周圍區(qū)域流速.

為了更直觀地分析葉輪流道內(nèi)相對(duì)速度大小隨流量的變化情況，提取0.50Qd，1.00Qd和1.50Qd工況下流道L1內(nèi)葉片壓力面、中間流線和吸力面上的相對(duì)速度并繪制成曲線，如圖9所示.圖中橫坐標(biāo)L表示距離葉輪流道出口位置遠(yuǎn)近，在截面Z2內(nèi)，在0

圖9 不同流量下壓力面、中間流線及吸力面速度分布

由圖9可以看出：在葉輪流道不同位置處，相對(duì)速度隨著流量的增大而增大；在葉片壓力面附近，相對(duì)速度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，即在葉輪流道中段壓力面附近產(chǎn)生低速區(qū)，隨著流量的增大，低速區(qū)的面積和強(qiáng)度逐漸減小，這與在圖8中觀察到的現(xiàn)象一致；在0.50Qd和1.00Qd工況下，中間流線附近的相對(duì)速度變化趨勢(shì)和壓力面附近的變化趨勢(shì)相同，即在葉輪流道中段存在低速區(qū)，當(dāng)流量增大到1.50Qd時(shí)，中間流線附近的低速區(qū)消失；在吸力面附近，在不同流量下從進(jìn)口方向到出口方向相對(duì)速度變化比較均勻，未出現(xiàn)低速區(qū)域.

綜上所述，當(dāng)流量減小時(shí)，首先在壓力面附近產(chǎn)生低速區(qū)，隨著流量的減小，低速區(qū)的面積和強(qiáng)度增大，且低速區(qū)向中間流線附近延伸.

3.2.2 額定流量下不同截面相對(duì)速度分布

由于從葉輪進(jìn)口到出口，葉片的扭曲程度不同，因此提取額定流量下流道L1內(nèi)3個(gè)葉輪不同半徑位置r0/r2=0.70， 0.85，1.00(分別在截面Z1，Z2和Z3上)，即從葉片吸力面到葉片壓力面曲線上的相對(duì)速度大小進(jìn)行對(duì)比分析，如圖10所示.

圖10 額定流量下不同截面上r0/r2=0.70,0.85,1.00處速度分布

由圖10可以看出：在r0/r2=0.70處，由于葉片扭曲程度相對(duì)較大，在不同截面上葉輪流道內(nèi)相對(duì)速度相差較大；隨著位置向出口方向移動(dòng)，葉片的扭曲程度降低，各個(gè)截面上的速度差減小，到r0/r2=1.00即葉輪出口位置處，葉片扭曲度非常低，葉片形狀接近于圓柱葉片，因此在葉輪出口位置，各個(gè)截面上的速度基本一致.

3.2.3 小流量下不同相位處相對(duì)速度分布

以上分析可知，葉輪各個(gè)流道內(nèi)的速度分布并不對(duì)稱，且這種不對(duì)稱性在小流量工況下更加明顯.為了進(jìn)一步研究葉輪流道流場(chǎng)空間的不均勻性及其產(chǎn)生原因，選取0.50Qd流量下葉輪在不同相位角位置處的相對(duì)速度流場(chǎng)進(jìn)行分析，如圖11所示.由圖11可以看出：當(dāng)葉輪相位角為0°時(shí)，流道L1中段壓力面附近產(chǎn)生低速區(qū)；隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，流道越來越靠近隔舌位置，流道內(nèi)的低速區(qū)逐漸擴(kuò)大，當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)到相位角為20°時(shí)，低速區(qū)的面積達(dá)到最大；當(dāng)葉輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，流道L1內(nèi)中段壓力面附近的低速區(qū)開始減小，直至葉輪旋轉(zhuǎn)到相位角為100°時(shí)完全消失；在流道L2內(nèi)，當(dāng)葉輪相位角為0°時(shí)流道中段壓力面附近并沒有產(chǎn)生低速區(qū)，而當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)到相位角為60°時(shí)，流道L2中段壓力面附近才開始產(chǎn)生低速區(qū)，且流道L2內(nèi)的低速區(qū)隨著流道靠近隔舌位置而不斷擴(kuò)大.

圖11 不同相位角位置處相對(duì)速度分布

綜上所述，蝸殼與葉輪之間的動(dòng)靜干涉對(duì)葉輪流道內(nèi)的流場(chǎng)分布造成影響.在小流量工況下，當(dāng)葉輪流道旋轉(zhuǎn)到葉輪隔舌位置附近時(shí)，在葉輪流道中段壓力面附近會(huì)產(chǎn)生低速區(qū).隨著葉輪流道與隔舌的距離越近，低速區(qū)的面積加大，當(dāng)葉輪流道逐漸遠(yuǎn)離隔舌位置時(shí)，低速區(qū)面積逐漸減小直至消失.

3.3 頭發(fā)懸浮液PIV試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 頭發(fā)懸浮液PIV試驗(yàn)后處理

圖12為頭發(fā)纖維懸浮液PIV試驗(yàn)拍攝圖像.

圖12 頭發(fā)懸浮液PIV試驗(yàn)拍攝圖像

由圖12可以看出，頭發(fā)顆粒對(duì)激光的散射能力較低，在流場(chǎng)的后處理中頭發(fā)顆粒不會(huì)影響到對(duì)液相示蹤粒子的識(shí)別，不需要對(duì)固相顆粒圖像和液相示蹤粒子圖像進(jìn)行分離.因此，頭發(fā)懸纖維懸浮液PIV試驗(yàn)液相流場(chǎng)后處理方法和清水PIV試驗(yàn)后處理方法相同.

3.3.2 頭發(fā)懸浮液PIV試驗(yàn)結(jié)果分析

圖13為輸送質(zhì)量濃度為0.1%頭發(fā)懸浮液時(shí)，在截面Z2上不同流量下葉輪流道中懸浮液液相的相對(duì)速度分布，可以看出：懸浮液中的纖維顆粒會(huì)對(duì)懸浮液中的液相流體流動(dòng)產(chǎn)生影響，在相同流量工況下，輸送頭發(fā)懸浮液時(shí)葉輪流道內(nèi)液相流體的相對(duì)速度比輸送清水時(shí)的相對(duì)速度??；在小流量工況下，輸送頭發(fā)懸浮液時(shí)葉輪壓力面附近的低速區(qū)面積比輸送清水時(shí)低速區(qū)面積大；在大流量工況下，輸送頭發(fā)懸浮液時(shí)液相流體出口液流角比輸送清水時(shí)大.

圖13 頭發(fā)懸浮液不同流量相對(duì)速度分布

為進(jìn)一步分析頭發(fā)顆粒對(duì)紙漿泵葉輪流道內(nèi)液相流速的影響，分別做出流量為0.50Qd和1.00Qd時(shí)，流道L1內(nèi)r0/r2=0.70，1.00處，從葉片吸力面到壓力面曲線上清水和頭發(fā)懸浮液液相流體的相對(duì)速度分布，如圖14所示.

由圖14a可以看出：在葉輪流道中段位置處，當(dāng)流量相同時(shí)，輸送清水時(shí)的相對(duì)速度比輸送頭發(fā)纖維懸浮液時(shí)液相流體的相對(duì)速度大；在額定流量工況下，顆粒的存在使得液相流體的相對(duì)速度從吸力面到壓力面變化更加均勻，流道內(nèi)的流動(dòng)相較于清水流場(chǎng)更加穩(wěn)定.由圖14b可以看出：相對(duì)于葉輪流道中段位置，在葉輪流道出口位置顆粒對(duì)液相流場(chǎng)相對(duì)速度的影響變小，甚至在小流量工況下，在靠近葉片壓力面一側(cè)的流道內(nèi)，懸浮液液相流體的相對(duì)速度和清水相對(duì)速度大小基本一致；在額定流量工況下，從吸力面到壓力面，纖維懸浮液液相流體相對(duì)速度的變化依然比清水相對(duì)速度變化更加均勻.

圖14 不同流量下 r0/r2=0.70，1.00曲線上相對(duì)速度分布

4 結(jié) 論

1) 當(dāng)輸送清水時(shí)，在大流量工況下，葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)穩(wěn)定，未出現(xiàn)旋渦和低速區(qū).在小流量工況下，在葉輪流道中段壓力面附近會(huì)產(chǎn)生低速區(qū)，且低速區(qū)面積隨著流量的減小逐漸擴(kuò)大.在吸力面附近，不同流量工況下從進(jìn)口到出口方向相對(duì)速度變化較均勻，未出現(xiàn)低速區(qū).

2) 受葉片扭曲的影響，在葉輪流道內(nèi)垂直于泵軸的不同截面上，相對(duì)速度大小不同.從進(jìn)口方向到葉輪出口，隨著葉片扭曲程度減小，不同截面上的相對(duì)速度差減小.

3) 當(dāng)輸送清水時(shí)，小流量工況下葉輪流道中的低速區(qū)與葉蝸殼之間的動(dòng)靜干涉有關(guān).當(dāng)葉輪流道與蝸殼隔舌之間的距離趨近過程中，低速區(qū)的面積逐漸增大，當(dāng)葉輪流道遠(yuǎn)離隔舌位置，低速區(qū)的面積逐漸減小.

4) 頭發(fā)顆粒會(huì)影響液相流體的流場(chǎng)，使得液相流體相對(duì)速度降低.在大流量工況下，頭發(fā)顆粒的存在使葉輪流道內(nèi)液相流動(dòng)的相對(duì)速度分布更加均勻.而在小流量工況下，在葉輪流道中段位置附近區(qū)域，頭發(fā)顆粒的存在使葉輪流道內(nèi)液相流動(dòng)的相對(duì)分布更不均勻.