吳賢芳,宋炬琛,王凱,劉和明,葉和宇,談明高*
(1. 江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 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; 3. 明光市留香泵業(yè)有限公司,安徽 滁州239400 )
固液兩相流泵作為固體物料運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備,應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,輸送介質(zhì)復(fù)雜多樣,因此有關(guān)泵內(nèi)固液兩相流的研究一直是行業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn).
目前,已有學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)研究了固相顆粒參數(shù)以及泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)固液兩相流泵內(nèi)能量性能的影響[1-3].也有學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)固液兩相流泵的磨損特性進(jìn)行了分析[4-5].隨著粒子圖像測(cè)速(particle image velocimetry,PIV)技術(shù)和高速攝影技術(shù)的進(jìn)步,泵內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究逐漸展開(kāi).SHI等[6]提出了基于灰度和粒度統(tǒng)計(jì)的兩相識(shí)別方法,對(duì)高速旋轉(zhuǎn)離心式渣漿泵內(nèi)顆粒-流體兩相流的PIV圖像處理具有良好的性能和可靠性.徐立群等[7]通過(guò)PIV試驗(yàn)拍攝了葉輪流道內(nèi)砂粒速度情況,研究發(fā)現(xiàn)葉輪內(nèi)中砂顆粒相對(duì)速度大于流體相對(duì)速度,而粗砂顆粒在葉輪進(jìn)口段相對(duì)速度低于流體相對(duì)速度,在葉輪出口段與流體相對(duì)速度基本相同.張啟華等[8]運(yùn)用PIV技術(shù)對(duì)紙漿泵內(nèi)固液兩相流動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,對(duì)比了纖維顆粒存在時(shí)葉輪內(nèi)部流場(chǎng)的變化情況.
蔡超等[9]利用高速攝影技術(shù)對(duì)揚(yáng)礦泵導(dǎo)葉內(nèi)粗顆粒的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明顆粒經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉時(shí),在導(dǎo)葉背面入口處、導(dǎo)葉工作面中部和導(dǎo)葉背面出口處的碰撞概率較大,并且隨著顆粒粒徑的增大,碰撞次數(shù)逐漸增加.談明高等[10]通過(guò)高速攝影技術(shù)研究了顆粒在雙葉片泵內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況,研究發(fā)現(xiàn)隨著粒徑的增大,顆粒通過(guò)泵的時(shí)間先減少后增多,隨著顆粒密度的增大,顆粒泵送時(shí)間增加,但最終趨于穩(wěn)定.楊敦敏等[11]通過(guò)高速攝影技術(shù)拍攝了離心泵葉輪內(nèi)的顆粒分布情況,結(jié)果顯示當(dāng)顆粒質(zhì)量較小時(shí),顆粒體積分?jǐn)?shù)較高的區(qū)域主要集中在葉輪出口靠近葉片壓力面和葉輪后蓋板處;大質(zhì)量顆粒主要集中在葉輪出口前蓋板附近位置.
綜上發(fā)現(xiàn),目前固液兩相流泵的研究主要集中在單級(jí)離心泵方面,而關(guān)于多級(jí)泵內(nèi)固液兩相流動(dòng)的研究還比較少.為此,文中搭建了固液兩相流泵綜合測(cè)試系統(tǒng),對(duì)多級(jí)泵導(dǎo)葉內(nèi)固液兩相流動(dòng)進(jìn)行可視化測(cè)試,以進(jìn)一步揭示多級(jí)泵固液兩相流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.
模型泵為一臺(tái)比轉(zhuǎn)數(shù)為94的兩級(jí)導(dǎo)葉式混流泵.該泵設(shè)計(jì)參數(shù):額定流量Qd=82 m3/h、設(shè)計(jì)揚(yáng)程H=20 m、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n=960 r/min.為方便高速攝像機(jī)對(duì)泵內(nèi)顆粒的拍攝記錄,該模型泵的各部件均由透明的有機(jī)玻璃制作而成.圖1為該試驗(yàn)所用模型泵各部件實(shí)物圖,其幾何參數(shù)見(jiàn)表1,表中Dj為葉輪進(jìn)口直徑,Dh為葉輪輪轂直徑,D2為葉輪出口直徑,z為葉片數(shù),φ1為葉片包角,β2為葉片出口角,b2為葉輪出口寬度,D3為導(dǎo)葉內(nèi)流線,D4為導(dǎo)葉外流線,L為導(dǎo)葉軸向長(zhǎng)度,zd為導(dǎo)葉片數(shù),φd為導(dǎo)葉片包角.
圖1 試驗(yàn)泵實(shí)物圖
表1 泵幾何參數(shù)
整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)包括:PMMA可視化模型泵、CYT-302扭矩儀、電動(dòng)機(jī)、KEFC-P-125G4-CNCNL7型管道式電磁流量計(jì)、水箱、循環(huán)給料漏斗、進(jìn)出口閥門(mén)、MIK-P3000高精度單晶硅進(jìn)出口壓力變送器、MotionPro Y4型高速CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、LED燈和變頻柜等設(shè)備.圖2為該固液兩相流泵綜合測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖.整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行原理:模型泵運(yùn)行穩(wěn)定后,將顆粒投入循環(huán)給料漏斗中,模型泵將固液兩相流提升至泵出口,再通過(guò)循環(huán)管路流回水箱的漏斗中,形成完整循環(huán).在試驗(yàn)時(shí)為保證管路中兩相流的均勻性,在投入顆粒后保持泵連續(xù)運(yùn)行5~10 min,再通過(guò)高速攝影機(jī)采集兩相流過(guò)泵影像.
圖2 固液兩相流泵綜合測(cè)試系統(tǒng)
表2為試驗(yàn)方案,主要包括不同粒徑和不同密度2種方案,表中d為顆粒粒徑,ρ為顆粒密度.圖3為試驗(yàn)用球形橡膠顆粒實(shí)物圖.
表2 試驗(yàn)方案
圖3 試驗(yàn)顆粒
1.4.1 泵能量性能處理方法
相較于輸送清水,泵所輸送的兩相流的密度會(huì)隨著固相顆粒的密度、濃度的變化而改變,因此需要根據(jù)所輸送兩相流的特性對(duì)所測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,從而得到泵的能量性能曲線.由于泵的揚(yáng)程和效率無(wú)法通過(guò)測(cè)量直接獲取,需要運(yùn)用理論計(jì)算的方式對(duì)泵的揚(yáng)程和效率進(jìn)行推導(dǎo).
1) 揚(yáng)程H
(1)
式中:Z2為泵出口壓力變送器高度,m;Z1為泵進(jìn)口壓力變送器高度,m;p2為泵出口表壓,Pa;p1為泵進(jìn)口表壓,Pa;v2為泵出口過(guò)流斷面平均速度,m/s;v1為泵進(jìn)口過(guò)流斷面平均速度,m/s;ρp為固相密度,kg/m3;ρf為流體密度,kg/m3;Cv為固相濃度;g為重力加速度,m/s2.
2) 效率η
(2)
式中:Q為固液混合物流量,m3/h;P為泵的軸功率,kW.
1.4.2 高速攝影結(jié)果后處理方法
泵葉輪始終處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài),固相顆粒不斷從葉輪內(nèi)獲取能量,因此葉輪內(nèi)顆粒通過(guò)性能相對(duì)較好,不易發(fā)生堵塞.泵導(dǎo)葉處于靜止?fàn)顟B(tài),再加上導(dǎo)葉的擴(kuò)壓減速作用會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)葉內(nèi)固液兩相流流速降低,易發(fā)生聚集、堵塞等問(wèn)題.為此,通過(guò)高速攝影試驗(yàn)對(duì)模型泵導(dǎo)葉內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)試與分析.
試驗(yàn)過(guò)程中像機(jī)拍攝頻率設(shè)定為1 000 Hz,每次拍攝持續(xù)時(shí)間為1.5 s.考慮到各方案下導(dǎo)葉內(nèi)顆粒數(shù)量均較多,且顆粒大小、形狀也完全相同,難以通過(guò)圖片疊加的處理方式獲取準(zhǔn)確的顆粒運(yùn)動(dòng)信息.故運(yùn)用Motion Studio的重放功能可以查看每幀拍攝圖片,并通過(guò)軟件自帶的“標(biāo)線”工具對(duì)顆粒坐標(biāo)進(jìn)行定位,從而可以獲取不同時(shí)刻下顆粒的坐標(biāo)位置.
因此為了更加準(zhǔn)確地獲取顆粒運(yùn)動(dòng)信息,對(duì)不同時(shí)刻下顆粒位置信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì).即在圖像處理過(guò)程中,從顆粒進(jìn)入導(dǎo)葉流道開(kāi)始每隔4張圖片即1/250 s對(duì)顆粒的坐標(biāo)進(jìn)行1次記錄,直到顆粒離開(kāi)導(dǎo)葉.圖4為Motion Studio軟件界面.
圖4 Motion Studio軟件界面
通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵可以拖動(dòng)“標(biāo)線”工具(即圖中的白色十字光標(biāo))的位置,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒坐標(biāo)的定位,軟件界面右下角為十字光標(biāo)的坐標(biāo)參數(shù).界面右側(cè)的操作區(qū)展現(xiàn)的是圖片的幀數(shù)和時(shí)刻等信息.得到不同時(shí)刻下顆粒位置信息之后,運(yùn)用Origin軟件繪制顆粒在導(dǎo)葉內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡.運(yùn)用相同方法可完成導(dǎo)葉輪廓形狀的繪制,如圖5所示.
圖5 導(dǎo)葉輪廓圖
圖6為輸送清水時(shí)泵的能量性能曲線.由圖可見(jiàn),設(shè)計(jì)工況下泵的揚(yáng)程和效率分別為21.58 m和64.75%,完全滿足設(shè)計(jì)要求;泵的高效區(qū)較寬,并隨著工況的變化,能量性能曲線的走勢(shì)較為平穩(wěn),水力性能較好.
圖6 清水條件下泵的能量性能曲線
圖7為額定工況下,泵輸送不同粒徑顆粒時(shí)的能量性能變化.如圖7a所示,額定工況下隨著顆粒粒徑的增大,泵的揚(yáng)程和效率逐漸降低,軸功率逐漸增大,當(dāng)顆粒粒徑分別為6,8,10 mm時(shí),泵的揚(yáng)程分別為21.46,21.40,21.35 mm,較清水工況下分別下降了0.12,0.18,0.23 m.當(dāng)顆粒粒徑從6 mm增大到10 mm時(shí),泵的效率較清水工況分別降低了0.90%,1.27%,2.09%.
不同密度下泵能量性能變化如圖7b所示,當(dāng)顆粒密度從1.25 g/cm3增大1.80 g/cm3時(shí),泵的揚(yáng)程較清水工況下分別降低了0.10,0.19,0.32 mm,且泵的效率較清水工況下分別降低了0.79%,1.27%和2.92%.
圖7 不同顆粒物性下泵的能量性能變化
可以看出,隨著顆粒粒徑和密度的增大,泵的揚(yáng)程和效率都呈逐漸降低的趨勢(shì),且顆粒粒徑/密度越大,對(duì)泵的能量性能的影響越為明顯,這主要是隨著顆粒粒徑和顆粒密度的增大,固相和液相間物理性質(zhì)差異愈發(fā)明顯,流體對(duì)固相顆粒的攜帶能量減弱,導(dǎo)致泵的性能下降.
顆粒在葉輪中主要沿工作面運(yùn)動(dòng),但由于葉輪的旋轉(zhuǎn),會(huì)從不同位置進(jìn)入導(dǎo)葉.圖8為額定工況下,密度為1.5 g/cm3的不同粒徑球形顆粒從不同位置進(jìn)入導(dǎo)葉后的運(yùn)動(dòng)軌跡.從圖可以看出,顆粒離開(kāi)葉輪后,從不同位置進(jìn)入導(dǎo)葉后均有向?qū)~工作面運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),并在導(dǎo)葉中部附近位置與導(dǎo)葉發(fā)生碰撞,碰撞后顆粒開(kāi)始沿著導(dǎo)葉工作面向?qū)~出口運(yùn)動(dòng).
圖8 導(dǎo)葉內(nèi)不同粒徑球形顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡
從圖8a和8d可以看出,從導(dǎo)葉背面位置進(jìn)入導(dǎo)葉的顆粒向?qū)~工作面運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)明顯;在導(dǎo)葉進(jìn)口前半段不同粒徑顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡重合度較高,但在首級(jí)導(dǎo)葉流道中部靠近工作面位置不同粒徑顆粒的軌跡不再重合,顆粒粒徑越小,顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的轉(zhuǎn)彎位置離導(dǎo)葉工作面越遠(yuǎn).這是由于顆粒粒徑較小時(shí)顆粒的跟隨性更好,因此顆粒軌跡更容易發(fā)生改變.
從圖8b和8e可看出,從導(dǎo)葉入口中間位置進(jìn)入的顆粒也有向?qū)~工作面運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),并且在導(dǎo)葉中部與工作面發(fā)生碰撞后沿葉片工作面向?qū)~出口流出;首級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)顆粒與導(dǎo)葉工作面碰撞后,不同粒徑顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡差別較大,這主要是顆粒碰撞位置不同,導(dǎo)致碰撞后顆粒軌跡改變.次級(jí)導(dǎo)葉內(nèi),粒徑為6 mm的顆粒在葉輪進(jìn)口前半段的運(yùn)動(dòng)軌跡相較于其他2種顆粒更靠近導(dǎo)葉背面,這是由于小粒徑顆粒跟隨性更好,顆粒軌跡更容易受流體影響而發(fā)生改變.
從圖8c和8f可以看出,顆粒從葉片工作面附近進(jìn)入導(dǎo)葉后均沿著導(dǎo)葉工作面運(yùn)動(dòng),不同粒徑顆粒在首級(jí)導(dǎo)葉和次級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡基本相同.這是因?yàn)榭拷鼘?dǎo)葉工作面附近流體的運(yùn)動(dòng)受葉片的約束較大,流體流線基本與導(dǎo)葉型線保持平行,因此導(dǎo)葉工作面運(yùn)動(dòng)的顆粒在導(dǎo)葉和流體共同約束下運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定.
圖9為額定工況下直徑為8 mm的不同密度顆粒在導(dǎo)葉中的運(yùn)動(dòng)軌跡.從圖9a和9d可以看出,顆粒進(jìn)入導(dǎo)葉初期均有較大的周向分速度,但在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉調(diào)整逐漸轉(zhuǎn)換為軸向速度.根據(jù)首級(jí)導(dǎo)葉中部位置顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡,顆粒密度越大其在導(dǎo)葉軌跡的轉(zhuǎn)彎半徑越小,顆粒運(yùn)動(dòng)方向越不容易改變,顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡向?qū)~工作面靠攏的趨勢(shì)越明顯.這是因?yàn)殡S著顆粒密度的增大,顆粒慣性逐漸增大,顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡更不容易改變.
從圖9b可看出,在導(dǎo)葉進(jìn)口前半段,密度為1.50 g/cm3的顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡高于密度為1.25 g/cm3和1.80 g/cm3時(shí)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡,這主要是由于密度為1.50 g/cm3時(shí)顆粒入射角度較大,導(dǎo)致了其軌跡偏高.從圖9e可以看出,密度為1.25 g/cm3的顆粒未接觸導(dǎo)葉工作面時(shí)其軌跡已經(jīng)發(fā)生改變.這是因?yàn)樾∶芏认骂w粒自身重力和慣性對(duì)其軌跡的影響減弱,流體的曳力對(duì)顆粒作用增強(qiáng),因此顆粒軌跡方向受水流作用更加顯著.
從圖9c和9f可以看出,不同密度條件下從導(dǎo)葉工作面附近射入顆粒的軌跡基本與導(dǎo)葉型線平行,但在導(dǎo)葉進(jìn)口前半段不同密度顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡有所不同,顆粒密度越大顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡越靠近導(dǎo)葉工作面.這也表明小密度顆粒自身慣性作用減弱,顆粒軌跡受水流的影響更大.
圖9 導(dǎo)葉不同密度球形顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡
為了進(jìn)一步量化分析導(dǎo)葉流道內(nèi)顆粒群的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和分布特點(diǎn),將導(dǎo)葉進(jìn)口流道劃分為3個(gè)部分,并統(tǒng)計(jì)出各進(jìn)口部分通過(guò)的顆粒比例,從而分析出導(dǎo)葉進(jìn)口處的顆粒分布情況.圖10為導(dǎo)葉入口區(qū)域劃分.
圖10 導(dǎo)葉入口位置劃分
圖11為顆粒密度為1.50 g/cm3時(shí)不同粒徑球形顆粒在導(dǎo)葉進(jìn)口的分布情況.圖11表明,不同粒徑下從導(dǎo)葉背面(入口1)進(jìn)入導(dǎo)葉內(nèi)的顆粒比例最高,導(dǎo)葉入口中間(入口2)進(jìn)入導(dǎo)葉內(nèi)的顆粒比例次之,靠近導(dǎo)葉工作面(入口3)進(jìn)入導(dǎo)葉內(nèi)的顆粒比例最低.
圖11 導(dǎo)葉進(jìn)口不同粒徑球形顆粒分布
隨著粒徑的增大,從入口1和入口3進(jìn)入導(dǎo)葉流道內(nèi)顆粒的比例逐漸降低.當(dāng)顆粒粒徑從6 mm增大到8 mm再到10 mm時(shí),從入口1進(jìn)入首級(jí)導(dǎo)葉的顆粒比例分別降低了0.89%和2.27%,從入口3進(jìn)入首級(jí)導(dǎo)葉的顆粒比例分別降低了2.06%和4.75%.從入口1進(jìn)入次級(jí)導(dǎo)葉的顆粒比例分別降低了0.48%和1.01%,從入口3進(jìn)入次級(jí)導(dǎo)葉的顆粒比例分別降低了2.94%和4.34%.
隨著粒徑的增大,從入口2進(jìn)入導(dǎo)葉的顆粒比例逐漸升高.相較于粒徑為6 mm時(shí)從入口2進(jìn)入導(dǎo)葉的顆粒比例,顆粒粒徑為8,10 mm時(shí),從入口2進(jìn)入首級(jí)導(dǎo)葉的顆粒比例分別提高了2.96%和7.02%,從入口2進(jìn)入次級(jí)導(dǎo)葉的顆粒比例分別提高了3.42%和5.35%.這主要是由于在導(dǎo)葉進(jìn)口位置越靠近導(dǎo)葉背面,流體運(yùn)動(dòng)速度越大,流體對(duì)顆粒曳力越大,因此顆粒越容易從導(dǎo)葉背面位置進(jìn)入導(dǎo)葉.
圖12為額定工況下,顆粒直徑為8 mm時(shí)不同密度顆粒在導(dǎo)葉進(jìn)口的分布情況.從圖中可以看出,導(dǎo)葉進(jìn)口不同位置處顆粒的比例也呈現(xiàn)出從導(dǎo)葉背面向?qū)~工作面減小的趨勢(shì),不同密度下從入口1進(jìn)入導(dǎo)葉的顆粒比例均超過(guò)了50.00%.
圖12 導(dǎo)葉進(jìn)口不同密度球形顆粒分布
從導(dǎo)葉入口處不同密度顆粒的分布情況可以發(fā)現(xiàn),由入口1進(jìn)入導(dǎo)葉的顆粒比例隨顆粒密度的增大先增大后減小,相較于密度為1.25 g/cm3時(shí)從入口1進(jìn)入導(dǎo)葉的顆粒比例,密度為1.50 g/cm3和1.80 g/cm3時(shí)從入口1進(jìn)入首級(jí)導(dǎo)葉的顆粒比例分別增加了0.87%和-4.75%,從入口1進(jìn)入次級(jí)導(dǎo)葉的顆粒比例分別增加了0.27%和-5.23%.
相較于密度為1.50 g/cm3時(shí)由入口2進(jìn)入導(dǎo)葉的顆粒比例,密度為1.25 g/cm3和1.80 g/cm3時(shí),由入口2進(jìn)入首級(jí)導(dǎo)葉的顆粒比例分別增加了4.18%和3.52%,由入口2進(jìn)入次級(jí)導(dǎo)葉的顆粒比例分別增加了2.26%和3.66%.
隨著顆粒密度的增大,由入口3進(jìn)入導(dǎo)葉的顆粒比例逐漸增加,當(dāng)顆粒密度從1.25 g/cm3增加到1.50 g/cm3和1.80 g/cm3時(shí),由入口3進(jìn)入首級(jí)導(dǎo)葉的顆粒比例分別增加了3.32%和5.41%,由入口3進(jìn)入次級(jí)導(dǎo)葉的顆粒入射比例分別增加了1.99%和3.83%.
當(dāng)顆粒密度為1.80 g/cm3時(shí),從入口1處進(jìn)入導(dǎo)葉的顆粒比例降幅較大的原因可能是顆粒密度較大時(shí)顆粒的重力增加,從葉輪出口流出的顆粒的軸向分速度快速減小,因此顆粒在導(dǎo)葉進(jìn)口位置更靠近導(dǎo)葉工作面.
為分析不同物性條件下顆粒與導(dǎo)葉頭部的碰撞概率,通過(guò)對(duì)單個(gè)導(dǎo)葉流道內(nèi)顆粒通過(guò)數(shù)量和顆粒碰撞次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),計(jì)算出與導(dǎo)葉頭部發(fā)生碰撞顆粒的數(shù)量占進(jìn)入導(dǎo)葉流道顆??倲?shù)之比.
圖13為額定工況下,不同粒徑(密度為1.50 g/cm3)和不同密度(直徑為8 mm)時(shí)顆粒與導(dǎo)葉頭部的碰撞概率e.
圖13 不同物性顆粒碰撞概率
從圖13a可以看出,隨著顆粒粒徑的增大,顆粒與導(dǎo)葉頭部碰撞概率呈逐漸增大的趨勢(shì).當(dāng)粒徑分別為6,8,10 mm時(shí),顆粒與首級(jí)導(dǎo)葉頭部發(fā)生碰撞的概率分別為8.13%,8.57%和11.43%,顆粒與次級(jí)導(dǎo)葉頭部發(fā)生碰撞的概率分別為8.27%,9.21%和12.24%.這主要是由于隨著顆粒粒徑的增大,顆粒體積變大,因此顆粒更容易與導(dǎo)葉頭部發(fā)生碰撞.
圖13b表明,隨著密度從1.25 g/cm3增大到1.50 g/cm3和1.80 g/cm3,顆粒與首級(jí)導(dǎo)葉頭部的碰撞概率依次為10.96%,8.57%和7.06%,顆粒與次級(jí)導(dǎo)葉頭部碰撞的概率依次為11.11%,9.33%和7.55%.顆粒與導(dǎo)葉頭部的碰撞概率隨著顆粒密度的增大而減小.這可能是因?yàn)殡S著密度的增大,顆粒重力逐漸增加,在重力作用下從葉輪流出顆粒的軸向分速度降低得更快,受此影響,距導(dǎo)葉工作面較近的顆粒,軌跡向下偏移,避免了與導(dǎo)葉頭部的碰撞.
通過(guò)泵能量性能試驗(yàn),分析了泵輸送顆粒時(shí)的能量性能變化;通過(guò)高速攝影試驗(yàn),研究了泵導(dǎo)葉流道內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡、顆粒分布以及顆粒與導(dǎo)葉的碰撞規(guī)律,得到以下結(jié)論.
1) 泵輸送固液兩相流時(shí)的揚(yáng)程和效率相較于清水工況均有所降低,且其下降程度隨著粒徑和密度的增大逐漸增加;與輸送清水相比,泵送顆粒時(shí)的揚(yáng)程和效率最大分別降低了0.32 m和2.92%.
2) 顆粒射入位置越靠近導(dǎo)葉背面,顆粒在導(dǎo)葉內(nèi)的軌跡長(zhǎng)度越長(zhǎng),顆粒射入位置越靠近導(dǎo)葉工作面,其在導(dǎo)葉內(nèi)的軌跡長(zhǎng)度越短.粒徑和密度越小,顆粒在導(dǎo)葉內(nèi)的跟隨性越好.
3) 不同物性下顆粒從導(dǎo)葉背面進(jìn)入導(dǎo)葉流道的比例均最高;隨著粒徑的增大從導(dǎo)葉背面附近進(jìn)入導(dǎo)葉內(nèi)的顆粒比例逐漸降低;隨著顆粒密度的增大,從導(dǎo)葉背面進(jìn)入導(dǎo)葉的顆粒比例先增加后減小.
4) 顆粒與導(dǎo)葉頭部碰撞的概率隨著粒徑的增大逐漸增大,隨著密度的增大逐漸減?。徊煌w粒物性條件下顆粒與首、次級(jí)導(dǎo)葉碰撞的概率基本相同.