离心泵气液固多相流动数值模拟与试验_付强
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（江苏大学流体机械工程技术研究中心，镇江 212013）
摘 要：为研究离心泵输送含有气固液多相时内部的流动情况，采用 Pro/ E 三维造型软件进行几何造型，基于 ANSYS
CFX 软件应用雷诺时均方程、双方程湍流模型，并结合 SIMPLEC 算法对其内部三维气固液多相流各相流动规律进行数
值计算，将计算结果与试验结果进行对比结果表明：受气相所产生旋涡的影响，固相体积分数在径向量纲位置 r/R2 为 0.4
刘栋等[2]、杨敏官等[3]、袁寿其等[4]、李斌等[5]对特殊用 途离心泵内部三维固液两相湍流数值模拟分析，获得了 内部流动规律；潘中永[6]等分别对搅拌罐内的浆体两相流 进行了研究。在气液两相流方面的研究主要有 Hazra[7]采 用雷诺时均方程和混合长度模型模拟连续相、拉各朗日 方法模拟分散相，对泵内的稀疏两相流进行了研究。Jose[8] 采用基于离心泵叶轮内气泡受力分析的数值模拟技术， 对离泵抽送气水混合物进行计算，并与试验结果对比， 给出两相流条件下的扬程损失，也得出了气泡尺寸与气 泡体积分数之间的影响关系；Francois 等[9]在专用试验台 架上对不同设计轴流式离心泵模型进行测试，为高效分 离和抽送轴流式离心泵的关键设计和运行参数提供了依 据，发展了轴流式离心泵的理论模型，并应用于气油两 相流的抽送；黄思[10]探讨了气液两相介质在螺旋轴流式 叶片泵内的流动规律。谢鹏等[11]通过对气液混输泵的试 验研究，分析了含气量和气液混合总流量两个关键因素 变化对汽蚀性能的影响；李昳等[12]对漩涡泵内部气液两 相流场进行了数值模拟，初步揭示了该泵内气液两相流 动特征；余志毅等[13]提出了一种气液两相流的压力修正 算法，具有较宽的进口含气率适用范围；范丽丹等[14]对 液力耦合器内汽液两相流进行了数值模拟，并对其进行 了 PIV 试验测试；向清江[15]等采用流体体积函数两相流 数学模型，对射流元件稳定附壁情况下二维及三维流场 进行数值模拟；李玉龙等[16]建立了基于油液离心作用的 下容积效率、困油区间内含气比和进油侧修正含气比的 计算公式；何勇灵[17]引入基于气泡溶解和析出的物理过 程的气泡模型，对柴油机喷油系统分别进行仿真，并与
1 数值模拟
1.1 模型选取 选取一单级离心泵作为研究对象，叶轮采用闭式结
构，叶片数位6片，设计转速为1 450 r/min，设计流量为 35 m3/h，设计扬程为35 m，蜗壳和叶轮的模型构造以及 网格生成均由cfx前处理软件ICEM进行网格划分，其中网 格类型采用的是四面体非结构化网格，叶轮网格数为 581 014，蜗壳网格数为371 367，对叶轮进口段作了延长， 也使用结构化网格，网格数为64 584。网格划分完后，选 取ICEM中smooth功能对网格进行光顺。三维网格计算区 域如图1所示。
以设计工况下固相所占比值为 10%，气相所占比 值为 5%为例分析离心泵叶轮流道内多相流场内部变 化规律，图 2 分别为离心泵叶轮流道内的固相、气相 及液相体积分数分布云图。从图中可以看出，各相在 叶轮流道内的分布不对称，其原因是气相颗粒在进入 叶 轮 流 道 内 是 均 匀 分 布 的 ，在 进 入 叶 轮 流 道 内 受 预 旋 、 进口冲角及叶片与隔舌动静干涉的影响，会不均匀地 进入到各流道内并聚集在叶片工作面的中间位置。固 相进入叶轮流道内受离心力和惯性的影响，开始向叶 片工作面和背面方向靠近，并随着气相增大所产生旋 涡的运动方向流动而增加该流道内固相体积分数。固 相体积分数分布情况如图 2a 所示，在叶轮内部叶片工 作面附近的固相体积分数明显大于背面的固体体积分 数，在叶轮出口处固相颗粒更易于集中在叶片工作面 附近。随着叶轮径向位置的增大，叶片背面固相体积 分数有所提高，造成这种现象的原因是固体颗粒随液 流进入叶轮后，在惯性力的作用下固相颗粒总是力图 向工作面靠拢，且固相颗粒的质量越大，在叶轮内相 对运动的轨迹包角也越大，则越靠向叶片工作面。在 靠近叶轮进口位置的叶片背面固相体积分数较高的原 因可能在于部分颗粒进入流道后与工作面发生碰撞， 重新回到流道内并有向背面靠拢的趋势，固相颗粒的 这种运动规律的结果会加剧叶轮的工作面磨损破坏及 增加了摩擦损失。气相体积分数分布情况如图 2b 所 示，由于气相所比值为 5%，所占的比例比较小，因 此，在没有固相的流道内主要集中在叶片的工作面且 随着叶轮的外径而缓慢增大，而在有固相的流道内气 相分散地分布在叶片间的流道内，且在叶片的工作面 的中间位置处的气相体积分数最大。图 2c 为液相体积 分数分布情况，从图中可以看出，液相的变化规律与 图 2a 和 2b 中的气液、固相的变化规律是一一对应的， 因此，图 2a～c 可以完整地反映出叶轮内部各相气体 体积分数分布变化情况。 2.2 气固液多相流中固相与气相的分布规律
a. 计算区域
b. 计算网格
图 1 计算区域及计算网格
Fig.1 Computational domain and grid
1.2 控制方程与湍流模型 数值计算基于商用 CFD 软件 ANSYS CFX，采用
SIMPLE 方法求解三维不可压缩雷诺平均 N-S 方程。 湍流模型选取标准 RNG k-ε两方程模型，壁面采用无 滑移边界条件，近壁区域采用标准壁面函数处理。多 相流模型采用 Mixture 模型，考虑相间的滑移速度， 采用 SIMPLEC 算法求解压力速度耦合方程组，计算 方法主要为：采用混合模型分别求解混合相的连续性 方程、混合的动量方程、混合的能量方程、气相与固 相的体积分数方程、相对速度的代数表达。其中混合 模型的动量方程可以通过对所有相各自的动量方程求 和来获得，离散相与连续相之间的速度滑移采用漂移 流量模型。 1.3 基本假设与边界条件
时达到最大值后直线急剧下降，下降至一定值后开始波动变化，而气相体积分数在径向量纲位置 r/R2 为 0.4 时较小，从
径向量纲位置 r/R2 为 0.4 以后急剧增大。气、固两相互相影响对方颗粒的分布。气相主要集中在叶片工作面的中间位置，
气相的存在使叶轮流道内产生旋涡，影响叶轮流道内的能量交换与传递；固相在没有旋涡的流道内是紧靠叶片表面运动
的，在有旋涡流道内主要是随着旋涡旋转方向进行流动，固相所占比值的增加对流动轨迹的影响并不明显。对气液固多
相流的深入研究和应用提供了有价值的参考。
关键词：离心泵，多相流，叶轮，数值模拟，试验
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.14.009
中图分类号：TH311
文献标志码：A
文章编号：1002-6819(2012)-14-0052-06
付 强，袁寿其，朱荣生，等. 离心泵气液固多相流动数值模拟与试验研究[J]. 农业工程学报，2012，28(14)：52－57. Fu Qiang, Yuan Shouqi, Zhu Rongsheng, et al. Numerical simulation and exቤተ መጻሕፍቲ ባይዱeriment on gas-liquid-solid multiphase flow in centrifugal pump[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(14): 52－57. (in Chinese with English abstract)
第 28 卷 第 14 期 52 2012 年 7 月
农业工程学报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.28 No.14 Jul. 2012
离心泵气液固多相流动数值模拟与试验
付 强，袁寿其，朱荣生，陈景俊，王秀礼※
为实现模型气液固多相流的数值计算，作如下假设：
1）液相为连续不可压缩相，歌相均为离散的不可压缩相， 各相的物理特性均为常数；2）固相颗粒为球形，粒径均 匀，不考虑相变；3）泵内流动为定常的，主相为清水， 第二相为固体颗粒且为同种颗粒及气泡相。
假定进口速度轴向均匀分布，液相、气相与固相均 匀分布且速度相等；湍流强度设为 5%；出口边界设为自 然出流。固壁上速度采用无滑移条件，湍流壁面采用壁 面函数边界条件。
多相流动理论包括固液两相流、气液两相流及气固 液多相流等方面。针对固液两相方面的研究主要有吴春 笃[1]等利用 FLUENT 软件对旋流分离器进行数值模拟；
收稿日期：2011-09-14 修订日期：2012-06-29 基金项目：国家杰出青年科学基金（50825902），国家科技支撑计划项目 （2011BAF14B04），江苏省自然科学基金项目（BK2011504），江苏高校优 势学科建设工程资助项目 作者简介：付 强（1975－），男，黑龙江宝清人，助理研究员，博士，主 要从事流体机械内部流动研究。镇江 江苏大学流体机械工程技术研究中 心，212013。 ※通信作者：王秀礼（1982－），男，山东烟台人，博士生,主要从事流体 机械设计和试验方面的研究。镇江 江苏大学流体机械工程技术研究中心， 212013。Email：jsuwxl@
第 14 期
付 强等：离心泵气液固多相流动数值模拟与试验研究
53
试验数据进行了对比。在气固液多相方面的研究较少，且 主要是以外特性试验研究为主[18-20]。而关于离心泵所输送介 质内含不同含量的气相和固相对其流动规律影响方面的 研究鲜有报道。
因此，本研究采用三维数值模拟方法对叶轮内部气 液固多相流动规律进行了研究，通过对气相、液相含量 变化对内部流动影响的分析，初步揭示了离心泵叶轮流 道内部的气固液多相中的固相、气相分布规律，为离心 泵叶轮流道内部的气固液多相流流动规律深入研究提供 了参考。
0 引 言
在农业、矿山、电力、污水处理及化工等行业中大 量的离心泵所输送的介质是含有水、固体颗粒和少量气 体的多相混合物，如浆体管道输送中的加气减阻、凝结 水循环、流程物料流动、液态排渣、浮选矿浆、纸浆循 环等均是含气两相或含气三相流。气相以溶解再挥发、 化学反应释放、起跑作用、系统漏吸气等多种形式混入 被循环的流体中，从而严重影响离心泵的正常运转。由 于多相流动理论的复杂性，其设计理论很不完善，在工 程中多数的设计基本上还是采用常规的清水泵设计方法 加以修正来进行设计,以至于所设计泵的性能和运行稳定 性都得不到有效保证，为了能设计出满足实际工况运行 需要的多相流离心泵应先了解离心泵内部的流动变化规 律后根据实际情况指导工程设计。
摘 要：为研究离心泵输送含有气固液多相时内部的流动情况，采用 Pro/ E 三维造型软件进行几何造型，基于 ANSYS
CFX 软件应用雷诺时均方程、双方程湍流模型，并结合 SIMPLEC 算法对其内部三维气固液多相流各相流动规律进行数
值计算，将计算结果与试验结果进行对比结果表明：受气相所产生旋涡的影响，固相体积分数在径向量纲位置 r/R2 为 0.4
刘栋等[2]、杨敏官等[3]、袁寿其等[4]、李斌等[5]对特殊用 途离心泵内部三维固液两相湍流数值模拟分析，获得了 内部流动规律；潘中永[6]等分别对搅拌罐内的浆体两相流 进行了研究。在气液两相流方面的研究主要有 Hazra[7]采 用雷诺时均方程和混合长度模型模拟连续相、拉各朗日 方法模拟分散相，对泵内的稀疏两相流进行了研究。Jose[8] 采用基于离心泵叶轮内气泡受力分析的数值模拟技术， 对离泵抽送气水混合物进行计算，并与试验结果对比， 给出两相流条件下的扬程损失，也得出了气泡尺寸与气 泡体积分数之间的影响关系；Francois 等[9]在专用试验台 架上对不同设计轴流式离心泵模型进行测试，为高效分 离和抽送轴流式离心泵的关键设计和运行参数提供了依 据，发展了轴流式离心泵的理论模型，并应用于气油两 相流的抽送；黄思[10]探讨了气液两相介质在螺旋轴流式 叶片泵内的流动规律。谢鹏等[11]通过对气液混输泵的试 验研究，分析了含气量和气液混合总流量两个关键因素 变化对汽蚀性能的影响；李昳等[12]对漩涡泵内部气液两 相流场进行了数值模拟，初步揭示了该泵内气液两相流 动特征；余志毅等[13]提出了一种气液两相流的压力修正 算法，具有较宽的进口含气率适用范围；范丽丹等[14]对 液力耦合器内汽液两相流进行了数值模拟，并对其进行 了 PIV 试验测试；向清江[15]等采用流体体积函数两相流 数学模型，对射流元件稳定附壁情况下二维及三维流场 进行数值模拟；李玉龙等[16]建立了基于油液离心作用的 下容积效率、困油区间内含气比和进油侧修正含气比的 计算公式；何勇灵[17]引入基于气泡溶解和析出的物理过 程的气泡模型，对柴油机喷油系统分别进行仿真，并与
1 数值模拟
1.1 模型选取 选取一单级离心泵作为研究对象，叶轮采用闭式结
构，叶片数位6片，设计转速为1 450 r/min，设计流量为 35 m3/h，设计扬程为35 m，蜗壳和叶轮的模型构造以及 网格生成均由cfx前处理软件ICEM进行网格划分，其中网 格类型采用的是四面体非结构化网格，叶轮网格数为 581 014，蜗壳网格数为371 367，对叶轮进口段作了延长， 也使用结构化网格，网格数为64 584。网格划分完后，选 取ICEM中smooth功能对网格进行光顺。三维网格计算区 域如图1所示。
以设计工况下固相所占比值为 10%，气相所占比 值为 5%为例分析离心泵叶轮流道内多相流场内部变 化规律，图 2 分别为离心泵叶轮流道内的固相、气相 及液相体积分数分布云图。从图中可以看出，各相在 叶轮流道内的分布不对称，其原因是气相颗粒在进入 叶 轮 流 道 内 是 均 匀 分 布 的 ，在 进 入 叶 轮 流 道 内 受 预 旋 、 进口冲角及叶片与隔舌动静干涉的影响，会不均匀地 进入到各流道内并聚集在叶片工作面的中间位置。固 相进入叶轮流道内受离心力和惯性的影响，开始向叶 片工作面和背面方向靠近，并随着气相增大所产生旋 涡的运动方向流动而增加该流道内固相体积分数。固 相体积分数分布情况如图 2a 所示，在叶轮内部叶片工 作面附近的固相体积分数明显大于背面的固体体积分 数，在叶轮出口处固相颗粒更易于集中在叶片工作面 附近。随着叶轮径向位置的增大，叶片背面固相体积 分数有所提高，造成这种现象的原因是固体颗粒随液 流进入叶轮后，在惯性力的作用下固相颗粒总是力图 向工作面靠拢，且固相颗粒的质量越大，在叶轮内相 对运动的轨迹包角也越大，则越靠向叶片工作面。在 靠近叶轮进口位置的叶片背面固相体积分数较高的原 因可能在于部分颗粒进入流道后与工作面发生碰撞， 重新回到流道内并有向背面靠拢的趋势，固相颗粒的 这种运动规律的结果会加剧叶轮的工作面磨损破坏及 增加了摩擦损失。气相体积分数分布情况如图 2b 所 示，由于气相所比值为 5%，所占的比例比较小，因 此，在没有固相的流道内主要集中在叶片的工作面且 随着叶轮的外径而缓慢增大，而在有固相的流道内气 相分散地分布在叶片间的流道内，且在叶片的工作面 的中间位置处的气相体积分数最大。图 2c 为液相体积 分数分布情况，从图中可以看出，液相的变化规律与 图 2a 和 2b 中的气液、固相的变化规律是一一对应的， 因此，图 2a～c 可以完整地反映出叶轮内部各相气体 体积分数分布变化情况。 2.2 气固液多相流中固相与气相的分布规律
a. 计算区域
b. 计算网格
图 1 计算区域及计算网格
Fig.1 Computational domain and grid
1.2 控制方程与湍流模型 数值计算基于商用 CFD 软件 ANSYS CFX，采用
SIMPLE 方法求解三维不可压缩雷诺平均 N-S 方程。 湍流模型选取标准 RNG k-ε两方程模型，壁面采用无 滑移边界条件，近壁区域采用标准壁面函数处理。多 相流模型采用 Mixture 模型，考虑相间的滑移速度， 采用 SIMPLEC 算法求解压力速度耦合方程组，计算 方法主要为：采用混合模型分别求解混合相的连续性 方程、混合的动量方程、混合的能量方程、气相与固 相的体积分数方程、相对速度的代数表达。其中混合 模型的动量方程可以通过对所有相各自的动量方程求 和来获得，离散相与连续相之间的速度滑移采用漂移 流量模型。 1.3 基本假设与边界条件
时达到最大值后直线急剧下降，下降至一定值后开始波动变化，而气相体积分数在径向量纲位置 r/R2 为 0.4 时较小，从
径向量纲位置 r/R2 为 0.4 以后急剧增大。气、固两相互相影响对方颗粒的分布。气相主要集中在叶片工作面的中间位置，
气相的存在使叶轮流道内产生旋涡，影响叶轮流道内的能量交换与传递；固相在没有旋涡的流道内是紧靠叶片表面运动
的，在有旋涡流道内主要是随着旋涡旋转方向进行流动，固相所占比值的增加对流动轨迹的影响并不明显。对气液固多
相流的深入研究和应用提供了有价值的参考。
关键词：离心泵，多相流，叶轮，数值模拟，试验
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.14.009
中图分类号：TH311
文献标志码：A
文章编号：1002-6819(2012)-14-0052-06
付 强，袁寿其，朱荣生，等. 离心泵气液固多相流动数值模拟与试验研究[J]. 农业工程学报，2012，28(14)：52－57. Fu Qiang, Yuan Shouqi, Zhu Rongsheng, et al. Numerical simulation and exቤተ መጻሕፍቲ ባይዱeriment on gas-liquid-solid multiphase flow in centrifugal pump[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(14): 52－57. (in Chinese with English abstract)
第 28 卷 第 14 期 52 2012 年 7 月
农业工程学报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.28 No.14 Jul. 2012
离心泵气液固多相流动数值模拟与试验
付 强，袁寿其，朱荣生，陈景俊，王秀礼※
为实现模型气液固多相流的数值计算，作如下假设：
1）液相为连续不可压缩相，歌相均为离散的不可压缩相， 各相的物理特性均为常数；2）固相颗粒为球形，粒径均 匀，不考虑相变；3）泵内流动为定常的，主相为清水， 第二相为固体颗粒且为同种颗粒及气泡相。
假定进口速度轴向均匀分布，液相、气相与固相均 匀分布且速度相等；湍流强度设为 5%；出口边界设为自 然出流。固壁上速度采用无滑移条件，湍流壁面采用壁 面函数边界条件。
多相流动理论包括固液两相流、气液两相流及气固 液多相流等方面。针对固液两相方面的研究主要有吴春 笃[1]等利用 FLUENT 软件对旋流分离器进行数值模拟；
收稿日期：2011-09-14 修订日期：2012-06-29 基金项目：国家杰出青年科学基金（50825902），国家科技支撑计划项目 （2011BAF14B04），江苏省自然科学基金项目（BK2011504），江苏高校优 势学科建设工程资助项目 作者简介：付 强（1975－），男，黑龙江宝清人，助理研究员，博士，主 要从事流体机械内部流动研究。镇江 江苏大学流体机械工程技术研究中 心，212013。 ※通信作者：王秀礼（1982－），男，山东烟台人，博士生,主要从事流体 机械设计和试验方面的研究。镇江 江苏大学流体机械工程技术研究中心， 212013。Email：jsuwxl@
第 14 期
付 强等：离心泵气液固多相流动数值模拟与试验研究
53
试验数据进行了对比。在气固液多相方面的研究较少，且 主要是以外特性试验研究为主[18-20]。而关于离心泵所输送介 质内含不同含量的气相和固相对其流动规律影响方面的 研究鲜有报道。
因此，本研究采用三维数值模拟方法对叶轮内部气 液固多相流动规律进行了研究，通过对气相、液相含量 变化对内部流动影响的分析，初步揭示了离心泵叶轮流 道内部的气固液多相中的固相、气相分布规律，为离心 泵叶轮流道内部的气固液多相流流动规律深入研究提供 了参考。
0 引 言
在农业、矿山、电力、污水处理及化工等行业中大 量的离心泵所输送的介质是含有水、固体颗粒和少量气 体的多相混合物，如浆体管道输送中的加气减阻、凝结 水循环、流程物料流动、液态排渣、浮选矿浆、纸浆循 环等均是含气两相或含气三相流。气相以溶解再挥发、 化学反应释放、起跑作用、系统漏吸气等多种形式混入 被循环的流体中，从而严重影响离心泵的正常运转。由 于多相流动理论的复杂性，其设计理论很不完善，在工 程中多数的设计基本上还是采用常规的清水泵设计方法 加以修正来进行设计,以至于所设计泵的性能和运行稳定 性都得不到有效保证，为了能设计出满足实际工况运行 需要的多相流离心泵应先了解离心泵内部的流动变化规 律后根据实际情况指导工程设计。
