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      氣液兩相流泵內(nèi)氣泡大小及分布規(guī)律研究

      2021-06-30 08:35:16謝聰何愛霞王勝趙子涵邵春雷
      能源研究與利用 2021年3期
      關(guān)鍵詞:蝸殼離心泵氣液

      謝聰,何愛霞,王勝,趙子涵,邵春雷

      (南京工業(yè)大學(xué)機械與動力工程學(xué)院,南京 211816)

      離心泵廣泛應(yīng)用于石油化工生產(chǎn)、航海工程、能源工程和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。由于各種原因,實際運行中空氣會混入其中,這樣使得泵內(nèi)輸送的不再是單一的液體介質(zhì),而是氣液兩相介質(zhì)。一旦泵內(nèi)摻雜了其它介質(zhì),必然導(dǎo)致離心泵的性能下降[1]。因此,研究氣液兩相流泵內(nèi)氣泡分布規(guī)律對提高泵性能具有重要意義。

      很多學(xué)者采用試驗或數(shù)值計算的方法對氣液兩相流離心泵內(nèi)部流動進行了研究并取得了一些成果[2-5]。在試驗研究方面,CUI等[6]通過高速攝像機觀察到離心泵空化流動的演變,并呈現(xiàn)出渦旋空化、片狀空化、云狀空化、回流空化和浪涌空化。VERDE等[7]采用高速攝像機拍攝到了潛油電泵葉輪內(nèi)的氣泡,采用當(dāng)量直徑計算出小含氣率下葉輪內(nèi)的氣泡直徑,并繪制成直方圖觀察直徑隨含氣率的變化情況。李重慶等[8]采用高速攝像技術(shù)對泵內(nèi)部氣液兩相流動進行可視化試驗,發(fā)現(xiàn)進口氣相體積分?jǐn)?shù)不斷增大時,葉輪內(nèi)部流型逐步演變?yōu)榕轄盍?、聚合泡狀流、氣團流和分層流,葉輪內(nèi)氣泡的平均直徑也隨之增大。在數(shù)值計算方面,研究氣泡直徑對離心泵內(nèi)部流場的影響相對較少,JOSE等[9]在研究兩相流條件下離心泵葉輪特性的時候提到了設(shè)置不同氣泡直徑進行數(shù)值計算,討論了兩相流條件下的揚程損失和氣泡尺寸與氣相體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系。趙文君等[10]設(shè)置了單一氣泡直徑和三種不同直徑的組合,應(yīng)用Fluent軟件對旋流器的氣液分離效果進行了模擬研究。ZHANG等[11]對離心泵中的氣-固-液三相流進行了數(shù)值研究,并對其中的氣相設(shè)置了多組單一氣泡直徑進行對比。

      前人對于葉輪內(nèi)氣泡的研究大多集中在流型的分析上,對于氣泡直徑的研究只是略帶一提,氣泡的大小、形狀、分布規(guī)律以及泵內(nèi)流型有待進一步研究。對于氣液兩相流泵的數(shù)值模擬也基本沒有考慮氣泡大小[12-13],因而不同直徑的氣泡對模擬結(jié)果的影響有待進一步研究。

      由于在高含氣率條件下,離心泵葉輪內(nèi)的氣相容易成團或分層,因而只能在蝸殼部分觀察到清晰獨立的氣泡,葉輪內(nèi)的氣泡也只在低含氣率下才獨立可分辨。對此,擬采用高速攝像技術(shù)對泵內(nèi)氣液兩相流動進行可視化試驗,分別研究葉輪內(nèi)以及蝸殼區(qū)域的氣泡大小和分布規(guī)律。進而在此基礎(chǔ)上設(shè)置不同的氣泡大小對模型泵進行數(shù)值模擬,并探討氣泡大小對數(shù)值模擬的影響。研究氣泡分布規(guī)律,能夠為泵內(nèi)流體的流動規(guī)律和數(shù)值模擬提供參考,為消除或快速排出氣泡、優(yōu)化泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計指明方向,進而為提高泵的性能提供科學(xué)依據(jù)。

      1 試驗裝置及實驗方案

      1.1 試驗裝置

      氣液兩相流泵的可視化試驗裝置如圖1所示。水在儲水罐、入口管、模型泵和出口管之間構(gòu)成一個循環(huán)流動。氣體由氣泵通過輸氣管注入入口管段與水充分混合后進入模型泵,同水回流入儲罐后從儲水罐頂部排出。液相流量由出口管與儲水罐之間的渦輪流量計測得,由出口閥門進行調(diào)節(jié);氣相流量由轉(zhuǎn)子流量計測量并調(diào)節(jié);泵的轉(zhuǎn)速由電控柜的變頻器進行調(diào)節(jié)。為便于觀察泵內(nèi)流動情況,模型泵采用有機玻璃制造,結(jié)構(gòu)參照IS80-50-250型低比轉(zhuǎn)速離心泵。為能夠捕捉到泵內(nèi)快速運動的氣泡并使之清晰呈現(xiàn),采用高速攝像機進行拍攝,型號為i-SPEED 3,必要時借助冷光源進行補光。

      1-儲水罐;2-進出口調(diào)節(jié)閥;3-金屬軟管;4-渦輪流量計;5-進口壓力傳感器;6-進氣管;7-出口壓力傳感器;8-電控柜;9-冷光源;10-氣泵;11-減壓閥;12-氣體控制閥;13-轉(zhuǎn)子流量計;14-攝像機;15-離心泵;16-轉(zhuǎn)速傳感器;17-電機

      受模型泵吸水室空間位置的限制,無法對泵內(nèi)全流道進行全面的拍攝,因此將泵的葉輪分為4個區(qū)域分別進行拍攝。由于蝸殼內(nèi)的氣泡較小,為了獲得更清晰的氣泡,對蝸殼Ⅱ~Ⅷ截面附近7個區(qū)域內(nèi)的流動進行拍攝。模型泵的區(qū)域劃分如圖2所示。

      圖2 模型泵區(qū)域劃分

      1.2 試驗方法

      通過電控柜變頻器調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速為400 r/min,出口閥調(diào)節(jié)液相流量為10 m3/h,流量計調(diào)節(jié)氣相流量為0.5 L/min。待運行穩(wěn)定后采用高速攝像機依次拍攝各個區(qū)域的流動情況,高速攝像機拍攝頻率設(shè)定為2 000幀/s,曝光時間為0.025 ms,拍攝所得圖像的分辨率為1 280×1 024,葉輪部分拍攝的區(qū)域大小約為74 mm×59 mm,蝸殼部分拍攝的區(qū)域大小約為36 mm×29 mm。

      2 數(shù)值計算方法

      2.1 模型參數(shù)與網(wǎng)格劃分

      圖3(a)所示為計算所用泵的流體域幾何模型,其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為:泵進口直徑D1為80 mm,出口直徑D2為50 mm,葉輪外徑D3為254 mm,葉片出口寬度b1為9 mm,葉片數(shù)Z為6。采用Pro/E軟件對模型泵進行三維建模,為使泵內(nèi)流動能夠充分發(fā)展并避免進出口回流對模擬結(jié)果的影響,對模型泵的進口和出口進行適當(dāng)延伸。圖3(b)所示為計算流體域網(wǎng)格,采用ICEM軟件對模型泵進行網(wǎng)格劃分,考慮到模型的復(fù)雜性,葉輪和蝸殼部分采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,并對蝸舌區(qū)域進行局部加密,進出口延長管段采用六面體網(wǎng)格。計算網(wǎng)格總數(shù)為1 212 180,當(dāng)繼續(xù)增加網(wǎng)格到2 032 151時,泵揚程波動幅度小于1%,因而當(dāng)前網(wǎng)格數(shù)量滿足計算精度要求。

      圖3 幾何模型及計算流體域網(wǎng)格

      2.2 計算方法

      基本假設(shè):(1)離心泵入口管段處混合均勻且流速相等;(2)氣液兩相均為不可壓縮介質(zhì);(3)氣泡為直徑相同的均勻球形,不考慮形變和相變。

      模型選擇:多相流模型采用Fluent中的Eulerian模型,考慮相間的滑移速度和動量傳遞等,湍流模型采用SSTk-ω模型,氣液兩相之間的曳力模型采用Gidaspow模型,顆粒碰撞歸還系數(shù)為0.9,壓力速度耦合采用Phase Coupled SIMPLE算法,離散方法采用二階迎風(fēng)格式。

      邊界條件:進口采用速度進口邊界條件,假設(shè)進口氣液兩相分布均勻且速度相等,設(shè)定進口速度、湍流強度、水力直徑和氣相占比;出口采用自由出流邊界條件;壁面無滑移,近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

      3 試驗結(jié)果分析

      采用高速攝像機拍攝多張圖片,由于葉片為均勻分布且氣泡分布受葉片周期性波動影響,故以葉輪旋轉(zhuǎn)60°作為一個采樣周期,結(jié)合拍攝幀率,確定400 r/min時圖像的判斷間隔為50幅、500 r/min時圖像的判斷間隔為40幅、600 r/min時圖像的判斷間隔為33幅。對所取得的圖片采用二值化處理,二值化處理前后對比如圖4所示,以此更好地識別氣泡邊界[14-16]。通過對輪廓清晰的氣泡進行描邊或填涂處理,計算得到各氣泡所占的像素點個數(shù),即可得到占據(jù)的像素面積,進而計算出各氣泡的當(dāng)量直徑。每個工況下選取3~6張圖片,共統(tǒng)計300個以上的氣泡直徑,繪制成直方圖。

      圖4 二值化處理前后對比

      3.1 葉輪內(nèi)氣泡大小分布規(guī)律

      主要研究葉輪內(nèi)第一至第四象限的氣泡直徑變化規(guī)律,試驗中泵的轉(zhuǎn)速為400 r/min、液相流量為10 m3/h、氣相流量為0.5 L/min保持恒定。葉輪內(nèi)的氣泡直徑分布和氣泡分布如圖5和圖6所示。

      圖5 葉輪內(nèi)氣泡直徑分布

      圖6 葉輪內(nèi)氣泡分布

      總體來看,絕大多數(shù)氣泡在葉輪內(nèi)呈各自獨立存在的狀態(tài),如文獻[13]提到的一樣,內(nèi)部流型表現(xiàn)為孤立泡狀流。氣泡直徑在葉輪內(nèi)的分布范圍較寬,從0.1~2.0 mm均有分布,近似呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)分布。由于存在氣體剛進入葉輪沒來得及分割成小氣泡的情況,會出現(xiàn)個別直徑遠大于2.0 mm的氣泡將不列入平均直徑的計算之中。在第一象限,如圖5(a)和圖6(a)所示,氣泡的平均直徑為0.96 mm,氣泡直徑集中分布在0.80 mm附近,0.55~1.05 mm之間的氣泡較多;在第二象限,如圖5(b)和圖6(b)所示,氣泡的平均直徑為0.93 mm,氣泡直徑仍集中分布在0.80 mm附近,但不如第一象限集中,0.45~1.15 mm之間的氣泡均占有相差不大的數(shù)量;在第三象限,如圖5(c)和圖6(c)所示,氣泡的平均直徑為0.94 mm,氣泡直徑相對集中分布在0.8 mm附近,氣泡直徑主要分布在0.40~1.30 mm之間;在第四象限,如圖5(d)和圖6(d)所示,氣泡的平均直徑為0.92 mm,氣泡直徑主要分布在0.40~1.1 mm之間。

      由以上數(shù)據(jù)對比可知,葉輪內(nèi)氣泡直徑的分布在該工況下各象限之間相差不大。

      3.2 蝸殼各截面氣泡大小分布規(guī)律

      主要研究蝸殼第Ⅱ~Ⅷ截面的氣泡直徑變化規(guī)律,選取單個蝸殼截面的氣泡統(tǒng)計范圍為:葉輪出口到蝸殼壁面與截面中心線附近36 mm的寬度圍成的區(qū)域,各截面選取的寬度一致為36 mm,蝸殼各截面統(tǒng)計區(qū)域如圖7所示。

      圖7 蝸殼各截面統(tǒng)計區(qū)域

      蝸殼區(qū)域氣泡直徑分布直方圖如圖8所示。氣泡直徑在蝸殼各區(qū)域的分布也近似呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)分布。相比葉輪區(qū)域,氣泡直徑的分布范圍有所縮窄,基本分布在0.1~1.4 mm之間,幾乎沒有出現(xiàn)直徑大于2.0 mm的大氣泡。在第Ⅱ截面附近,如圖8(a)所示,氣泡的平均直徑為0.55 mm,氣泡直徑集中分布在0.50 mm附近,分布在0.40~0.60 mm之間的氣泡數(shù)量差不多;在第Ⅲ截面附近,如圖8(b)所示,氣泡的平均直徑為0.58 mm,氣泡直徑集中分布在0.50 mm附近,分布在0.40 ~0.60 mm之間的氣泡數(shù)量較多;在第Ⅳ截面附近,如圖8(c)所示,氣泡的平均直徑為0.61 mm,氣泡直徑的主要分布與第Ⅲ截面附近相近;在第Ⅴ截面附近,如圖8(d)所示,氣泡的平均直徑為0.65 mm,氣泡直徑集中分布在0.60 mm附近,分布在0.40~0.70 mm之間的氣泡數(shù)量較多;在第Ⅵ截面附近,如圖8(e)所示,氣泡的平均直徑為0.73 mm,氣泡直徑集中分布在0.65 mm附近,分布在0.50~0.80 mm之間的氣泡數(shù)量較多,氣泡分布直方圖整體向右移動;在第Ⅶ截面附近,如圖8(f)所示,氣泡的平均直徑為0.77 mm,氣泡直徑集中分布在0.70 mm附近,分布在0.50~0.90 mm之間的氣泡數(shù)量較多;在第Ⅷ截面附近,如圖8(g)所示,氣泡的平均直徑為0.82 mm,氣泡直徑集中分布在0.80 mm附近,分布在0.60~1.10 mm之間的氣泡數(shù)量明顯增多。

      圖8 蝸殼區(qū)域氣泡直徑分布直方圖

      將蝸殼各截面的平均氣泡直徑繪制成折線圖,氣泡平均直徑沿蝸殼周向的變化如圖9所示,由以上數(shù)據(jù)對比可知,該工況下蝸殼各區(qū)域氣泡直徑的分布基本相似,氣泡平均直徑沿著蝸殼內(nèi)的水流方向整體呈增大趨勢。

      圖9 氣泡平均直徑沿蝸殼周向的變化

      氣泡平均直徑的變化可能受泵內(nèi)壓力、切應(yīng)力或液體流速的影響,隨著泵內(nèi)切應(yīng)力或液體流速的增大,更容易將大氣泡分割成更小的氣泡,壓力的增大使氣泡受到擠壓而保持相對較小的氣泡狀態(tài)。在內(nèi)部流場極為復(fù)雜的泵內(nèi),氣泡平均直徑受壓力、切應(yīng)力和液體流速的共同影響。

      4 數(shù)值計算結(jié)果分析

      4.1 模擬結(jié)果驗證

      由數(shù)值計算得到的離心泵中截面壓力分布如圖10所示,由圖可見,泵內(nèi)壓力從葉輪中心向外逐漸增大,葉輪內(nèi)壓力均低于蝸殼內(nèi)壓力,驗證了葉輪內(nèi)氣泡平均直徑小于蝸殼的原因。從蝸殼第Ⅱ截面至第Ⅷ截面附近的壓力逐漸降低,也可以解釋上圖中蝸殼內(nèi)氣泡直徑沿途呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢,前人的研究[17]有指出離心泵在低流量工況時,蝸殼內(nèi)的壓力沿液流方向呈現(xiàn)出由大變小再變大的規(guī)律,額定流量工況下,蝸殼內(nèi)壓力分布出現(xiàn)沿液流方向逐漸增大的趨勢。

      圖10 離心泵中截面壓力分布

      通過模擬發(fā)現(xiàn),有少量的氣泡在蝸舌附近會出現(xiàn)向葉輪內(nèi)回流的現(xiàn)象,如圖11(a)所示。圖11(b)為實驗室模型泵蝸舌附近在試驗中所得的4個氣泡運動軌跡,通過i-SPEED3軟件在同一時間段內(nèi)逐幀捕捉該氣泡得到其運動軌跡。從圖中可以看出,氣泡在蝸舌附近并靠近葉輪的一側(cè)有回流入葉輪的現(xiàn)象,遠離葉輪的氣泡軌跡基本是順著蝸殼流道線的。通過導(dǎo)出對應(yīng)的坐標(biāo)點和時刻點,參考文獻[18]的測量方法,為減小誤差,在同一氣泡運動軌跡中,最終確定每3個軌跡點采樣一次,計算出被追蹤氣泡在各標(biāo)記點的瞬間速度,氣泡速度沿運動軌跡的變化如圖12所示,由圖12可見,靠近蝸殼壁面的流速略低于中部的速度,且氣泡在經(jīng)過蝸舌附近時速度有下降趨勢,這是因為蝸舌往出口方向的橫截面逐漸增大使得流速有所降低,這與數(shù)值模擬得到的結(jié)果趨勢是一致的。

      圖11 蝸舌附近氣相速度分布和氣泡運動軌跡

      圖12 氣泡速度沿運動軌跡的變化

      4.2 氣泡大小變化對吸水管氣相氣體分布的影響

      為研究氣泡大小對數(shù)值模擬內(nèi)部流動的影響,對氣液兩相流計算中的氣相分別設(shè)置為默認(rèn)氣泡直徑為0.009 9 mm、0.1 mm、0.4 mm、0.7 mm和0.9 mm五種情況進行模擬。

      從圖13(a)中可以看出,在吸水管中,默認(rèn)氣泡直徑為0.009 9 mm時,由于氣相在吸水管內(nèi)幾乎是均勻分布的,聚集現(xiàn)象不明顯,因而難以在吸水管內(nèi)觀察到明顯的氣相聚集分布幾乎觀察不到氣相在管中的分布。隨著氣泡直徑的增大,氣相分布在吸水管內(nèi)變得清晰明顯。氣泡直徑為0.1 mm時,在吸水管頂部能見到少量的氣相分布,如圖13(b)所示;氣泡直徑為0.4 mm、0.7 mm和0.9 mm時,很明顯地能見到較高體積分?jǐn)?shù)的氣相在管中分布,如圖13(c)、(d)和(e)所示。對比圖13(b)、(c)、(d)和(e),在吸水管底部與葉輪的交接處,隨著氣泡直徑的增大,氣相體積的分布反而減小了甚至完全沒有了,一方面小直徑氣泡的慣性小更容易擺脫浮力的束縛,另一方面小氣泡運動的阻力更小,從而會有更多的小氣泡被葉輪卷入至底部,結(jié)合圖14吸水室內(nèi)氣相流線圖也能看出氣泡直徑越大,被卷入至底部的氣泡越少。事實上,在氣液兩相流泵的運行過程中是會有少部分氣體被卷入底部的,這在前人的研究中也有提到[19],因而對于研究吸水室來說,設(shè)置0.4 mm左右的氣泡直徑來進行模擬相對較為準(zhǔn)確。

      圖13 吸水室內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)

      圖14 吸水室內(nèi)氣相流線

      4.3 氣泡大小變化對葉輪氣相氣體分布的影響

      由圖15可知,總體而言,在葉輪入口至中部范圍內(nèi)的氣相濃度大于出口處,且集中于葉輪工作面上,隨著氣泡尺寸的增加,這種聚集現(xiàn)象越顯著。由于蝸舌的干涉作用,葉輪內(nèi)各流道的氣相分布不是對稱的,采用默認(rèn)氣泡直徑為0.009 9 mm的計算結(jié)果顯示,在各區(qū)域的氣相濃度均不高,對應(yīng)的氣相體積在泵內(nèi)的分布范圍就會較廣且分布均勻,其結(jié)果的準(zhǔn)確性不如其它氣泡直徑的模擬結(jié)果。另外,由于氣泡越大,對液相的跟隨性就越差,因而氣相在葉輪內(nèi)的聚集現(xiàn)象就越顯著,其分布范圍也就越小。氣泡直徑為0.9 mm的計算結(jié)果與葉輪內(nèi)氣泡分布的實際情況比較接近,因而對于研究葉輪內(nèi)氣相分布來說,設(shè)置為0.9 mm左右的氣泡直徑來進行模擬相對較為準(zhǔn)確。

      圖15 葉輪內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)分布

      4.4 氣泡大小變化對泵內(nèi)壓力分布的影響

      從圖16中可以看出,泵內(nèi)壓力分布總體是相似的,在低流量工況下泵內(nèi)壓力沿著葉輪入口到蝸殼逐漸增大,蝸殼內(nèi)壓力先降低再升高,因而總體來說從入口到出口泵內(nèi)壓力逐漸增大,除了蝸舌附近壓力分布不是很均勻,整體上分布比較均勻。在氣液兩相流泵中,氣泡直徑越大,泵內(nèi)壓力稍有增大,但采用氣泡直徑為0.9 mm的計算結(jié)果壓力卻有所下降,可能是氣相在葉輪內(nèi)的聚集現(xiàn)象過于顯著而影響了泵內(nèi)壓力分布,氣泡直徑為0.7 mm的計算結(jié)果與泵內(nèi)實際壓力分布更為相近,因而對于研究泵內(nèi)壓力分布來說,設(shè)置0.7 mm左右的氣泡來進行模擬相對較為準(zhǔn)確。

      圖16 不同氣泡直徑情況下離心泵中截面壓力分布

      5 結(jié)語

      1)同一工況下,葉輪內(nèi)的氣泡平均直徑為0.94 mm,大于蝸殼區(qū)域,且葉輪內(nèi)氣泡直徑基本分布在0.1~2.0 mm之間,較蝸殼內(nèi)的0.1~1.4 mm分布更廣,蝸殼內(nèi)的氣泡平均直徑沿著流道方向由0.55 mm逐漸增大到0.82 mm。

      2)通過試驗與模擬均發(fā)現(xiàn)在蝸舌附近有少量氣泡出現(xiàn)回流現(xiàn)象,且試驗與模擬得到的氣相速度分布規(guī)律也基本一致。

      3)通過設(shè)置不同直徑的氣泡對氣液兩相流泵進行模擬發(fā)現(xiàn),研究離心泵不同部位和泵內(nèi)流動情況不能同時達到準(zhǔn)確,宜采用不同的直徑研究各個部分才更準(zhǔn)確,氣泡直徑對泵內(nèi)氣相的集聚和分布范圍有一定的影響,氣泡直徑越大,氣相越容易聚集成高濃度分布。

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