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文｜阿基米德

编辑｜梁淇钟

前言

为了研究螺杆离心泵叶轮的动力能力和能量转换机制，采用了理论分析和计算流体动力学（CFD）数值模拟的方法，重点讨论了内部流动条件，如速度、压力和浓度。

当介质为砂水两相流时，将螺杆离心泵的叶轮轮缘和叶轮线分割成段，以分析沿着叶轮轮廓线的能量转换能力，包括动态头和静水头的变化。

螺杆离心泵流体的能量由螺旋段提供，叶轮前缘的螺旋段发挥了多级增加能量的作用，由于不同的力场和叶轮的离心效应，砂水两相以不同的速度运动。由于液相是主要相，能量转换主要取决于液体能量的变化，固相在液体的包裹作用下流动，固相能量通过液体间接传递。

150X100LN-32型螺杆离心泵参数

作为一种新型的杂质泵，螺杆离心泵结合了螺杆泵和离心泵的优势，其特殊的结构可以充分发挥它们的优点。与传统的杂质泵相比，螺杆离心泵具有一系列的显著优势，如不易堵塞、吸入性能好、性能可调、耐气蚀性强，且无负载、高效率以及高效率区域宽。

Ht受Qt影响较大，这在特性曲线上体现为一条陡峭下降的直线，对应于较小的流量变化，扬程应有更大的变化，这种特性曲线的泵非常适用于污水处理场合。

从效率-流量曲线可以看出，150X100LN-32螺杆离心泵的最佳工况位于Q = 180 m3/h的点附近。该泵的最大效率为63%，接近设计效率65%，在流量范围从Q = 115 m3/h到Q = 240 m3/h，泵的效率高于50%。与一般水泵相比，螺杆离心泵显示出较低的整体效率，这是因为螺杆离心泵设计用于两相流泵送。

在泵送砂水两相流时，螺杆离心泵的效率高于其他污水泵，在大范围内，试验泵的轴功率曲线接近一条直线并略微上升。当流量达到Q = 230 m3/h时，轴功率开始下降，如果我们根据最大功率点的轴功率值来选择泵的电机，电机将不会过载。

从能量转换的角度来看，泵通过叶轮将机械能转化为液体能量，从而改变了液体的运动状态。通过欧拉方程分析机械流体的能量转换和传递。

理论能量有以下两部分，第一项称为动能头，主要是由于叶轮的旋转而产生的。它在叶轮导叶片或蜗壳后部分转化为静水头；第二项和第三项称为静水头，是流体通过叶轮时静水头的增加值。我们将在叶轮处获得的能量分成动压和静压头，这为数值模拟提供了理论依据，以研究叶轮的作用能力。

测试体系的建立

随着叶轮的旋转，泵的瞬时效率和瞬时扬程显示出周期性的变化，接近正弦曲线，且变化趋势几乎相同，一个周期内有一个最大值和一个最小值，其两个极值点对应于特定位置周围的最大半径。

显示了当瞬时效率和瞬时扬程达到最大值时的叶轮位置，可以看出叶轮的最大半径位置刚好转到VI部分；这是因为随着叶轮的旋转，最大半径位置和蜗壳出口之间的体积逐渐变小，压缩量逐渐增加。

在蜗壳内相当于叶轮在介质中工作，在壳体舌部有回流，当叶轮最大半径位置逐渐靠近壳体舌部时，回流加强，能量损失增加。泵的瞬时扬程在叶轮转到的位置时最大，在泵运行过程中，扭矩变化很小，此刻泵效率在一个周期内达到最大值。

瞬时效率和瞬时扬程的最小值对应于叶轮位置，即叶轮刚好在最大半径的位置后面的壳体舌部；这是因为螺杆离心泵的工作原理类似于转子式容积泵，利用泵缸的容积变化来传递能量和输送液体。

螺杆离心泵在最大半径位置和蜗壳出口之间的体积随着叶轮的旋转而变化，当最大半径位置刚好在壳体舌部后面，泵缸内的体积最大，相当于叶轮在蜗壳介质中的动力能力最弱，因此泵的瞬时扬程达到最小值。

在叶轮上采取分段监测点，分析它们的工作能力，并完成以下过程。通过以下过程分析沿着叶轮的监测点的作用能力：建立监测点—数值模拟—获取监测点参数（速度、压力）—沿轮缘和轴向的动压和静压头变化。

水头和水泵在额定条件下循环水的瞬时效率

在Pro/E软件中，以叶轮轴为轴，通过投影方法使轮缘线和叶轮线投影到叶轮上，叶轮轴平面投影与上下法兰相交并与叶轮的交点旋转36°，以取得均匀的监测点并充分反映沿叶轮各部分的流场变化。

螺杆离心泵流动由叶轮和蜗壳组成，叶轮旋转坐标系的表面被视为相对坐标系，因此叶轮内部的流动可以看作是稳定流动，但整个流道内部的流场可以看作是三维不可压缩稳定状态的湍流流场。入口处采用速度入口边界条件，出口处采用自然出流边界条件，同时在壁面处采用不滑移边界条件，例如入口截面、叶轮锥截面或蜗壳壁面。

为了建立相对坐标系下的连续方程、N-S方程和其他控制方程，采用标准k-ε湍流模型来闭合方程 ，采用了欧拉多相模型，因为它包含了砂水两相流的特例。为了在保证尽可能的准确性的前提下节省计算时间，使用离散一阶上风格式的对流项，中心差分格式的耗散项的迭代求解，设定收敛精度为10^-5，压力-速度方程的迭代求解使用了SIMPLE算法。

模拟螺杆离心泵砂水两相流的输送，其中砂水是测试中常见的介质，液相中的水是第一相，固相中的砂是第二相，因此选择了欧拉多相流模型；在计算域内沿轴向采用了非稳态的速度入口条件。

流量性能曲线的绘制及分析

在固体体积浓度（VOF）的定义中，假设入口浓度分布均匀，并进行数值模拟，得到了压力分布、速度分布、固体浓度分布以及螺杆离心泵内部流场的相关曲线，其中两相流特性。

可以看出水的压力范围比固液两相流要宽，这种影响与蜗壳有关。蜗壳主要用于收集液体，引导流向排水管，最终将液体动能转化为静压能，当介质被替换为砂水两相流时，蜗壳上的压力增加。

在叶轮工作表面的砂水两相流液相和固相中，速度范围不同，液相速度的最大值显著大于固相的最大值，最小值小于固相的最小值，液相的速度范围比固相要宽。这是因为一方面液相是主要相，另一方面砂的密度较大，惯性较大，因此会出现速度滑移，这也表明当叶轮用于砂水两相流时，会出现滑移速度。

这是因为在模拟条件下，固相体积浓度和颗粒直径相对较小；固相不会对液相的流动产生很大影响。两相之间的动态压头和静态压头差异明显：固相的动态压头高于液相，液相的静态压头高于固相。

这是因为在工作过程中，由于不同的应力场，固相的速度低于液相，并且固相对液体流动通道具有“相对阻塞”的效应，使得液体流通道区域相对狭窄，液体流动变形速度增加。在叶轮的离心段出口，流体相不仅受到流速变形的影响，而且还受到工作面和叶轮轮缘或轴向背面的蜗壳流通面积变形的影响，使得动态压头和静态压头在出口处变得复杂。

一个共同的特征是，因为固体颗粒的比重大于液体流中的压力值，液体流的静态压头变化比固体的变化快得多。除了叶轮的离心段出口法兰后面，工作面和背面的压力静态头在叶轮的轴向出口段急剧下降。

两相流介质对能量转换的影响

离心段的压力在最大半径时达到最大值，然后随着角度增加，压力先减小后增加，但仍然小于最大半径的压力；主要原因是离心段工作面的径向距离变短，叶片出口角度相对较小，因此离心力小于最大半径，流体的工作较少。

另一方面，离心段的轴向距离较短，叶轮在相同时起到从轴向变为径向的重要功能，从而在固相和流体进入叶轮区域时在背面的最大半径处产生能量损失。在不同程度上，叶轮出口的动态压头和静态压头都会减少。

比较颗粒直径为0.076毫米和1毫米时，随角度变化的液相和固相的动态压头和静态压头的变化。无论是液相还是固相，固体颗粒都较大；比例越大，因此动态压力的变化速度更慢；颗粒尺寸比例较小的易于变化，并且离心过渡段后的动态头首先减小然后增加。

变化幅度较大，液相和固相的静水头变化趋势相同。当介质为大颗粒时，泵的静水头变化比小颗粒慢，相同的速度给出了较大尺寸的更高能量。

在离心段，由于速度方向的突然变化，固相大体积浓度的惯性较大，静压头不易改变，而小体积浓度的固相恰恰相反；由于轴向速度在过渡段转变为径向速度，产生了较大的能量损失，静压头突然下降。

小体积浓度的固相变化类似于水的变化；大体积浓度的固相惯性较大；在模拟中固相体积浓度为60%时，状态变化较小，静压头仅略微增加。

比较0.076 mm和1 mm的粒径以及液相和固相的动压头和静压头随角度变化的变化。无论液相还是固相，固体颗粒都较大；比重越大，动压变化越慢；比重小，粒径易变化，动压头后离心过渡螺旋截面先减小后增大。

还有较大的变化，液体和固体的静水压头变化趋势相同，当介质为大颗粒时，泵的静水压头变化比小颗粒慢，相同的速度赋予大尺寸获得更高的能量。

螺旋离心泵离心段浓度较高，液体动压头较大，其他地方的液相动态水头变化也类似。由于浓度增加，固相比重增大，动压头变化较大，小体积浓缩速度容易变化，因此在叶轮作用下动压头变化明显。

结论

在螺杆离心泵叶轮功率的过程中，螺旋段静水头和动态压头总体趋势呈正向增长，而离心段波动较大。

在最大半径处，静压头达到最大值，这解释了螺杆离心泵的压力主要由螺旋段产生；叶轮前部的螺旋段起到了多级增加能量的作用，这解释了叶轮的工作主要由螺旋段提供。

当颗粒尺寸相对较小时，同时体积浓度足够大时，固相（副相）和液相（主相）的两相流耦合非常好，速度滑移现象不明显。

固相（副相）和液相（主相）的两相流耦合非常好，速度滑移现象不明显。当输送介质为砂水两相流时，固相颗粒尺寸相对较小，体积浓度足够大。

参考文献

【1】李仁年，惠强，魏华，《变螺距叶片对螺杆离心泵轴向力的影响，2011 年。

【2】袁胜，李勇，何志，《无堵塞离心泵内固液两相湍流三维计算》，2003 年。

【3】李瑞，王强，沉建，《螺杆离心泵固液两相流数值模拟》，2008 年。

【4】李瑞，李波，韩伟，《螺杆离心泵工作特性分析》，2005 年。

【5】管晓，《现代泵理论与设计》，2011年。