案例-利用Ansys-fluent 模拟双吸离心泵出口泥沙磨损
通过跟踪叶轮通道中的固体粒子运动轨迹和通道中的涡流，分析通道内气流对泥沙运动的影响，从而揭示叶片出口表面的磨蚀机理。
1 材料与方法
1.1 研究对象
以一台沿黄泵站的双吸离心泵为例，计算时采用双吸离心泵的设计流量 Q=9000m^3/h，扬程H=70m~75m，额定转速n=750 r/min，叶轮叶片数Z=8，转轮直径D=990 mm。
1.2 计算模型
将流体区域分为吸水室、叶轮和蜗壳三个不同的计算区域。目的是为了提高吸水室入口和蜗壳尾部的流态稳定性，保证了数值模拟计算的精度。离心泵流体域模型见图1。
图 1 离心泵流体域模型
2 数值模拟
2.1 网格分割
采用结构六面体格网，实现了高品质的网格分割，加快运算速度。图2 为部件网格。
图 2 各部件网格划分
2.2 边界条件设置
使用Ansys-fluent软件分析离心泵流道中的固-液两相流，利用SSTk-ω模型建立湍流模型，选择多基准坐标系统（MRF），将叶轮区域作为转动区， 将剩余的计算区设定为静态区。在入口段设有流量入口，在出口段设有压力出口,在固壁上没有滑动，在动静交界面使用Interface 处理。
根据离心泵的工作状态，对其进行数值模拟，以流量1.96m^3/s、出口压力735000Pa、泥沙浓度2.12kg/m^3、ρ沙2639kg/m^3、颗粒直径 d=0.198mm、转速n=750r/min。水体的含沙量为泵站的测量结果，离心泵的泵壳中分离出来的沙粒通过专业的检验机构确定其颗粒特性。在无沙条件下通过数值仿真计算至稳定后，利用欧拉-拉格朗日模型模拟泥沙的运动轨迹，并应用离散冲击模型（DPM）方法进行离散碰撞模型的仿真。
2.3 网格无关度分析
由于网格数目会影响数值计算的效果，所以需要对网格进行非相关性检验。在同一拓扑条件下 , 选择 5 组网格 , 其网格为3.24×106，4.24×106 ，5.24×106，6.24×106，7.24×106。计算不同的网孔数目，并分析扬程、效率和叶片的平均磨损率 , 从而选择最合理的网孔数目。图3（a）显示 , 随着网格数目的增大，扬程和效率的变化趋于平稳；图3（b）显示， 在网格数目少时，叶片的平均磨损率随网格数目的增大而增大；在考虑计算资源的情况下，采用5.9×106的网格进行数值模拟。为了精确地模拟近壁面区内的紊流，对其部位的网格进行加密再计算。
图 3 网格无关性检验
3 结果和分析
图4为叶片压面尾端的实际磨损，表明在叶片压面尾中部有显著的颗粒划伤。图5为叶片压面处的磨耗强度计算的结果，该磨耗强度主要集中在压力面的尾端，与现场的磨损区相符合，说明该数值方法能够对叶片的磨损进行预测。
图 4 叶片实际磨损图
图 5 叶片磨损强度分析图
图6为在叶片的压力面上的固相沉积速率分布。通过现场实测磨削曲线的比较，结果表明，砂粒的高沉积速率与实际磨耗情况基本吻合 , 主要原因在于固体粒子的集中分布，增大了冲击机率，从而增大了沙粒在这一区域的侵蚀磨损强度。
图 6 叶片压力面固相沉积速率图
图7为颗粒在叶片压力表面的出口部分的相对速度分布。在叶面上粒子的相对速度分布是不均匀的，而在压力面的末端，则是相对速度的集中和较大的区域。从离散相冲击磨损模型中可以看出，粒子的相对速度对磨损的强度有很大的影响，随着粒子的相对速度增大，叶片的磨损量也会增大。
图 7 叶片压力面固相相对速度
图8为流动通道中单个粒子的运动轨迹，其结果表明，粒子从叶轮吸力面入口部分向压力面末端移动，并沿叶轮表面移动，最终从叶轮区域中流出。图9为叶轮内的固体含量剖面分布。结果表明 , 在叶片压力面端部存在着粒子移动的倾向。研究发现，流道中的流场对粒子的运动产生了一定影响，并使其在压力面末端处的集中分布更加明显，进而导致了对叶尾的磨蚀和破坏。
图 8 单一粒子轨迹图
图 9 叶轮中固相体积分数分布图
图10为流道涡和颗粒的轨迹的示意图。在接近吸力面的末端，流道涡由吸力面向压力面形成，并与流道中的液体一起流动。流道涡对粒子的运动影响很大 , 粒子在通道内受流道涡的影响发生自转，从吸力面的出口处向压力面移动。流道涡的产生会使粒子的运动轨迹发生变化，使压力面出口处的粒子浓度增大，同时，由于出口处的流速很高，在粒子浓度和相对速度的影响下，压力面尾处的磨损会更严重。
图 10 流道涡与颗粒轨迹图
4 结论
泥沙磨损是影响双吸离心泵工作性能与使用寿命的重要问题，从流道中的颗粒分布、颗粒轨迹、流道涡等角度，分析了影响其磨损失效的原因。总结如下：
（1）叶轮压面尾侧的磨蚀破坏与泥沙的分布特性和速度相关，随着泥沙的相对速度和密度的增大而增大。
（2）流道涡会显著地影响到粒子的运动，在通道内粒子的运动轨迹会由吸力面至压力面。
（3）流道涡会使叶轮压力面处的颗粒浓度增加，而在流道涡作用下，叶轮出口压力面上的微粒浓度会变大，从而使磨蚀失效更加严重。
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