污水泵的研究现状与进展

排灌机械第23卷 第6期丛小青等:污水泵的研究现状与进展1.污水泵的研究现状与进展丛小青，袁寿其，袁丹青2,陆伟刚1(1.江苏大学流体机械工程技术中心,江苏镇江212013; 2.江苏大学能源与动力工程学院.江苏镇江212013)，摘要:研究固液两相流体在离心泵内的运动规律、完善其设计理论和设计方法-直是设计人员十分重视的课题。针对污水泵的研究情况，分别从污水泵理论研究内特性研究、外特性研究、水力设计等几个方面对污水泵的研究现状进行了较为详细的阐述，指出加强泵内外特性研究、探求流动机理、开发适合水泵设计的专业化软件用于泵产品的计算机集成制造(CIMS),将是泵行业发展的重要方向。关键词:污水泵;两相流;研究;现状;进展中图分类号: TH311文献标识码: A文章编号: 1005- -6254(2005)06 -001-0505理论及设计原理，即相对堵塞和相对抽吸理论:0引言当固体速度小于水流速度时(例如在叶轮进口),污水泵广泛应用于石化、矿山、冶金、电力以固相对水流产生相对堵塞效应;反之产生相对抽及城市排污等污水处理作业。随着国民经济的发吸作用(例如在叶轮出口)。故而提出了两相流水展,市场对污水泵的需求量日益增大。由于污水流畸变设计法并给出了畸变方程和输运方程[2]泵工作条件相当恶劣,所抽送的介质对污水泵工这个理论开创了固液两相流宏观研究的新局面。况有很大影响。因此,同清水泵相比,同样比转速80年代末,许洪元教授提出了固液两相流速的污水泵效率相对较低,使用寿命较短,这将增度比理论[3],即:离心泵中两相流动属于分离流加设备投资。因此,深入研究污水泵内部流动机动,在流道的不同部位，固体颗粒的受力不同,固理、提高污水泵效率和寿命一直是科研工作者努液两相间的速度比发生变化,使两相流体的浓度力的目标。本文分别从污水泵理论研究、内特性比随之变化,由此导出了固液速度比方程,并给研究、外特性研究、水力设计等几个方面介绍了出了叶轮几何参数的计算公式。污水泵的研究现状，并对今后的发展方向作了展2内特性研究望。2.1泵轮内固体颗粒运动规律的研究1流动理论研究研究泵轮内固体颗粒运动规律对污水泵设国内外对固液两相流动理论作了很多研究,计有着重要的指导意义。30年前国外就有学者采但大多为管道内的流动,对离心泵内的流动研究用高速摄影技术拍摄泵轮中固体颗粒运动轨迹,较少。在两相流条件下,因为惯性力不同，固液两此后这方面的研究时有报道。苏 波隆用高速摄影相各以不同的速度运动。只有根据两相流的速度机拍摄了叶轮中颗粒分别为8~10mm的沙砾和场来设计泵的叶型和流道才能更有效地转换能1~2mm的沙子的运动轨迹结果表明:颗粒质量量并降低磨损。但泵内的流态十分复杂，即使清越大，其运动轨迹越偏离叶片工作面4]。沙利亚分水也无法用纯数学的方法求解,对于两相流困难别于1975年和1983年利用高速摄影技术得到更大。到目前为止，还没有建立一个公认的数学了固体颗粒的运动轨迹,1975年作出的结论是颗方程式中。粒质量越大，其运动轨迹越靠近叶片工作面,与70年代中期，蔡保元教授首先提出了两相流苏波隆结论截然相反;而1983年作出的结论和基金项目:江苏省教育厅高新技术产业发展项目(JH03- 033);江苏省教育厅六大人才资助项目作者简介:丛小青( 1966.6-),女,山东威海人,江苏大学在读博士生副研究员。DRAINAGE AND IRRIGATION MACHINERY Vol.23 No.6苏波隆的结论相同15.1。板谷树用高速摄像机拍摄;方法;如果颗粒相只被处理成一相的话,常常又泵轮中颗粒分别为5.19 mm .8.82 mm.12.75 mm被称为双流体模型。第二类是把流体当作连续介的玻璃球的运动轨迹,并用Lagrange法进行理论质,颗粒被视为离散体,在Euler 坐标系下考察流计算,发现在该粒径范围内，质量对运动轨迹几体相的运动,在Lagrange坐标系下研究颗粒群的乎没有影响[7运动,即颗粒群轨道模型。第三类模型是液体拟国内自20世纪80年代后期，清华大学、西颗粒模型,该模型不仅将宏观离散颗粒当成离散安交大、浙江大学先后开始涉及这一课题研究。相处理,还将连续的液体也采用拟颗粒性质的流朱金曦、赵敬亭在文献[8]中采用固体两相流离体微团来处理。心泵用有限元法和差分法分别计算了叶轮S,流国内对污水泵内部流场的研究主要集中在面速度场及叶轮内固体颗粒的运动轨迹,得出的颗粒运动规律的数值模拟与试验研究上。彭维明结论与苏波隆相同。许洪元等利用高速摄像机,等第一次用Euler-Lagrange模型，结合雷诺输运分别采用豆类(d=4 mm .6 mm 8 mm).玻璃球(d=定律，计算了水涡轮机械中轴对称的固液两相4 mm .6 mm.8 mm),钢球(d=6 mm.12 mm)、石子流，得出了颗粒从叶轮进口到出口的速度分布,(d=1~2 mm .5~6 mm) ,对不同的叶片形状在不同并对颗粒速度的变化原因进行了分析叫。朱金曦转速下进行试验得出的结论与沙利亚1975得出用有限元法对离心泵叶轮S,流面流动进行了流的结论相同19。此外,魏进家也对闭式离心叶轮内场计算，在此基础上用拉格朗日计算颗粒的轨颗粒运动轨迹做了试验研究,并给出了叶轮内两迹,计算结果与实验结果吻合8。刘小兵等人用相流运动中颗粒平均速度分布和浓度分布以及k-ε双方程湍流模式对-水轮机蜗壳中含沙水流单颗粒在叶道内运动轨迹[01。从目前发表资料来及磨损分布进行了模拟,其预测结果与实验结果看,对离心泵内颗粒运动的实验和数值计算存在较为一致[12]。阎超等人用k-ε模型和k-8-A模三种不同结论:①颗粒质量越大,其运动轨迹越型并用Simple-c算法对离心泵叶轮内稀释固液偏离叶片工作面，该观点为较多学者认同;②颗两相流动进行了数值模拟,模拟结果:①在稀释粒质量越大，其运动轨迹越靠近叶片工作面,支(C,<10%)固液两相流情况下,颗粒对流速影响不持该观点的学者不多;③颗粒质量对其运动轨迹大,对压力分布有影响;②在叶轮出口,颗粒相对影响不大，支持该观点的学者极少。虽然这些观速度大于液体相对速度,这与流场测量结果相吻点都有一些理论与实验基础，但结论却不一样。合3]。王宏等采用目前流行的贴体坐标变换技术这主要与实验者现有的实验条件、理论简化以及采用有限体积法对水轮机叶轮内的固液两相流缺乏对实际液流流场分析有较大差异有关。由于进行了数值模拟,模拟结果与水轮机实际磨损破旋转机械中颗粒运动轨迹非常复杂,现有的模拟坏部位完全相符141。 袁寿其、李跌等针对无堵塞泵试验与真实情况还有一定差距，因此还需要对这内部流动特点，选用颗粒拟流体k-e-A。模型模方面的研究增加更大的投入。拟两相湍流运动,模拟结果揭示了无堵塞泵叶轮:2.2数值模拟与流场测试内部流动特征:在前盖板吸力面区域存在射流-数值模拟方法是研究水力机械的有力工具。尾流区;颗粒相相对速度方向比液体相更加靠近随着计算机技术流动模型以及计算方法的不断叶片工作面;固相和液相之间存在速度滑移[I5]。完善,数值计算的结果越来越准确,因此也越来此外，戴江、吴玉林也对叶轮中两相紊流进行了模越受到人们的重视。目前对液-固两相流数值模拟,得出了固液间滑移速度,这对了解叶轮中固拟是通过建立两相流模型来封闭N-S方程,然后液两相的速度场及其差别有着很大的意义(16)。如通过离散求解方程得到流场。液-固两相流的数果说数值模拟技术和真实流场还有一定差距,那值模拟有两种方法:Euler法和Lagrange法。流动么流场测试是反映真实流场最直接最可靠的方模型从刻划的尺度及属性上区分主要有三大类法,目前所有的数值模拟都需要流场测试来验证模型。第一类是把颗粒作为拟液体,认为颗粒与与实际流场的符合程度。流场测试主要是测量泵流体是共同存在且相互渗透的连续介质,两相同内部的速度场和压力场,而对两相流泵的测试主在Euler坐标系下处理,即连续流体模型,这是目要是测量泵内颗粒平均速度分布和浓度分布以前在两相流动研究领域中使用最为广泛的一种及单颗粒在叶道内的运动及速度分布。目前,探排灌机械第23卷 第6期丛小青等:污水泵的研究现状与进展针、热线等常用的流场测量方法已不适用于两相.者对污水泵都有深入的研究。前苏联对两相流设流场测量，而非接触测量方法例如LDV、PDPA、计理论与设计方法作了不少工作,出版的有关专PIV和高速摄像技术则在两相流动测量中得到广著和公开发表的论文都对两相流泵的设计有直泛应用。接参考价值;日本、欧美等国主要侧重于固液理近年来，越来越多的人对高速旋转泵叶轮内论方面的研究,很少公开有关固液泵设计方面的的颗粒运动及分布进行了研究,例如Tatu7]、赵，技术。文献[25 ]是国内介绍污水泵水力设计方法敬亭[18和戴江19]许洪元9]魏进家20)用高速摄影最早的著作，书中介绍了叶轮主要参数的确定和对离心泵叶轮的液固两相流进行了研究,得到了计算方法。文献[26]中作者对各种排污泵的设计叶轮内颗粒平均速度分布规律,为污水泵设计提方法也作了介绍，给出了计算公式。加拿大K.C供了-定的实验依据。威尔逊与美国C.R艾迪、英国科里特在合著的《离心泵传输手册》中提出了固液泵水力设计方3外特性研究面的要求。归纳这些设计方法,我们可以将它们通过外特性的研究可以探索过流部件几何分为4类:速度系数法、两相流畸变速度设计法、参数对泵性能的影响规律。叶轮外径D2是影响泵速度比设计法、流场分析设计法。扬程最直接最主要的参数，而叶片宽度b2、叶片4.1 速度系数设计法数z对扬程也有一定的影响;同时,叶片宽度b2速度系数设计法是以国内外大量实践及资也是影响流量大小的很重要的几何参数。在污水料为依据,以清水泵的有关公式为基础,利用系泵设计中由于要考虑通过能力，因此要加大62宽数修正形成的设计方法，这些系数反映了工作介度,这就要求我们在设计时也要随之改变其它几质的影响。这种方法虽然理论上并不完善，但实何参数。文献[21]的作者对无过载污水泵几何参用性很强，因此得到了广泛应用。数对性能的影响规律做了正交试验，得出的结论刘湘文提出的离心式泥泵设计法1271、黄黔生是:几何参数对最大轴功率Pm的影响顺序为:提出的离心式泥泵叶轮设计法28,以及何希杰提D2、b2、Zφβ2、F,几何参数对最大轴功率处流量出的泥浆泵叶轮设计方法29都属于速度系数设Q的影响顺序为β2、b2、D、Zφ、F。郭自杰在文献计法并具有很好的设计效果。严敬在文献[30]中[22]中通过试验说明了叶片宽度对泵性能的影介绍了美国最新离心泵叶轮设计资料,这是美国响,得出的结论是:在离心泵的设计中存在着一学者Lobanoff在20世纪90年代发表的最新速度个最佳叶轮出口宽度,若设计偏离了这个最佳出系数法设计资料,并被西方企业广泛使用。口宽度都会引起泵的关心点扬程最高效率η下4.2 畸变速度设计法2]降,同时也引起高效点向大流量区偏移。70年代以来，蔡保元教授通过试验和研制新文献[23]的作者做了离心泵叶片参数对磨产品探讨了固液泵两相流设计方法,提出了畸变损规律影响的试验研究,结论是,①兼顾泵轮磨速度设计法。他把固体作为水流运动边界条件,损和水力性能应选择较小的叶片出口安放角,过由于固体的影响，使水流速度场发生某种畸变，大的叶片出口安放角将导致叶片压力面磨损严根据两相流水流的畸变速度场来设计泵的叶型.重;②叶片进出口角比较合理，加大包角,将减轻和流道。该理论还存在较大的争议,其实用性和叶片的磨损。文献[24]的作者对隔舌间隙对泵性认同性有待进一步提高。能影响做了较为深入的试验研究，结果表明,当4.3 速度比设计法1隔舌间隙很小时泵的效率会急剧上升，但并未发速度比设计法是许洪元教授根据固液速度.生强烈的压力脉动;当增大隔舌面积，最高效率比理论提出的两相流设计方法。从叶轮进口至出点随之向大流量方向偏移;对低比转数泵,加大口,在离心场的作用下,固相速度由小于液相速隔舌面积可提高泵的效率,这也是文献[25]所说度逐步领先于液相速度,在叶轮出口处当地浓度小于输送浓度;为使液相尽量维持清水时的运动的加大流量设计法。规律,应扩大叶轮进口通道,减小出口通道。由于4水力设计考虑了固液速度比场的变化，因而泵的效率高、根据资料分析可以看出,目前国内外的研究寿命长。该理论正在成熟推广中。DRAINAGE AND IRRIGATION MACHINERY Vol.23 No.64.4流场分析设计法加准确实用的设计方法。随着计算技术的迅速发展,出现了许多大型(4)随着计算机集成制造系统(CIMS)的发展,的流场计算及性能预测软件，例如CFX、FLU-开发适合水泵设计的专业化软件用于产品的设ENT、STAR -CD、PHOENICS、TASSFLOW,等等。计、分析和制造各个阶段也将是泵行业发展的一设计者通过这些软件进行流场分析和性能预测,个重要方向。来修改最初的设计,直到达到满意的效果。由于避免了反复这一复杂过程,新产品研制周期和成参考文献:本明显下降,设计准确度大大提高。由于现在的[1]朱祖超.若干特殊离心泵的设计理论及工程实现[R].浙江大计算软件和计算方法还有-定的局限性,目前这[2]蔡保元.离心泵的“二相流"理论及设计原理[J].科学通报，学博土后流动研究报告.1999.种方法还只限于科研机构使用，但随着流场计算1983(8):498~502.方法的进一步完善，它必将成为今后水泵设计最[3] 许洪元.两相流理论[Z].清华大学水利水电工程系讲义,重要也是最主要的设计手段之一。1990.[4]苏波隆BK.混合液在泥浆泵流道中的流动特性的研究[J].5无过 载排污泵设计方法杂质泵技术[两相流专辑,198612):36~-54.5] Zarya A N. Motions of Phases of the Misture in a Centrifugal最大轴功率问题是英国著名泵专家Ander-Impeller Fluid[J]. Mechanies- -Soviet Research, 1983,17(3).son于1938年在研究离心泵面积比理论时首次6] ZaryaA N. Motions of Phases of the Mixture in a Centrifugal提出来的,对此,袁寿其教授从理论试验到水力Impeller Fluid[J]. Mechanies- Soviel Research, 1975.4(4).设计等各方面进行了系统和深入的研究,修正和[7] Itaya T and Nishikawa T. Sudy on the sand pump[J]. Trans of完善了国内外离心泵的研究，具有较大的实用价[8]朱金曦,赵敬亭.叶轮内固体颗粒运动轨迹的分析计算[].JSME,B. 1964,29(27):1786-1794.值,这些思想也是后来的学者研究无过载理论的水泵技术,1989(3):14-19.指导思想。文献[21]的作者在文献[32]的基础上[9]许洪元,陈雪梅等.离心泵叶轮中固体颗粒的运动研究[J].对无过载排污泵也进行了系统研究,从理论上推流体工程,1992(7):1-6.导了排污泵饱和轴功率性能产生的条件,初步给[10]魏进家,胡春波,等.离心泵闭式叶轮内颗粒运动的实验研出了无过载排污泵的设计方法,使无过载排污泵11]彭维明，程良骏.水涡轮机械中轴对称固液两相流动的研究究[J].水泵技术1986).55-62.的设计不但有理论指导而且有科学方法。张立新[J].水利学报,1994<4).在文献[33]中根据无过载理论提出了一种适用[12]刘小兵程良骏.固液两相流中k-e的方程湍流模式及在水于低比速离心式渣浆泵的无过载设计方法;曾金涡轮机械流场中的应用[J]. 四川工业学院学报,1995,14根把清水泵无过载设计的面积比推荐值修正后(2):76-86.成功地设计双流道潜水排污泵[4。虽然目前无过13]阎超,等.离心叶轮内稀释固液两相流动的数值模拟[J]航空学报,1995,16(6):676-679.载排污泵设计方法还不十分完善,但是通过对无[14]王宏，等.水力机械转轮内固液两相流的三维贴体数值模拟过载设计方法的研究，使低比速排污泵在小流量研究[J].水力发电学报.1998(3):43-51.远距离输送以及水位频繁变化的场合使用变为15]袁寿其,李跌,等.无堵塞离心泵内部三维固液两相湍流流可能,大大扩大了低比速离心泵的使用范围。该场数值模拟[J].机械工程学报,2003 ,39(7):18-22.方法的研究也使污水泵设计跨上了一个新的台16]戴江，吴玉林,等.离心泵叶轮中固液两相紊流计算[J].工程热物理学报, 1996, 17(1):46-49.阶,因此其有非常巨大的现实意义。[17]赵敬亭等译.砂泵的研究[Z].两相流泵译文集(2).清华大6结论与展望学，[18] 赵敬亭,等.离心泵流道中固体颗粒运动[J].水泵技术,(1)加强外特性的研究,探索过流部件几何1988.参数对泵性能的影响规律。[19]戴江.离心泵叶轮内固液两相流流动规律研究[D].清华大学博士论文,1994.(2)利用先进的LDV. PDPA PIV和高速摄像[20]魏进家.密相液固两相湍流KET模型和数值计算及离心泵技术对两相流动机理进行揭示，探求更加准确实叶轮内两相流场实验研究[D]. 西安交通大学博 土论文,用的流动模型和计算方法,使两相流场的数值模1998.拟更加准确,这对提高设计水平有明显的意义。[21]丛小青.无过载排污泵理论与设计方法的研究[D].江苏大(3)应加强固液泵设计理论的研究，探求更学硕士论文,2003.排灌机械第23卷 第6期丛小青等:污水泵的研究现状与进展[22]郭自杰,等.叶轮流道宽度对泵性能影响[J].水泵技术,1994[29]何希杰离心式泥泵叶轮的基本原理与设计方法[C].杂质(5) :20-22.泵及管道水力输送学术讨论会论文集,1989.10~2.[23]许洪元，罗先武.离心泵叶片参数对磨损规律影响的试验研30]严敬,严利.对美国一最新离心叶轮设计资料的分析[J].农究[J].农业工程学报,1997(4):69-73.业机械学报,2004 ,35(3):65-67.[24]秦爱义.正确设计杂质泵蜗壳隔舌提高水泵效率与性能[J].[31]许洪元.离心式渣浆泵的设计理论研究与应用[].水力发河北煤炭2000(2):48~49.电学报,1998(1):76~84.5]查森.离心式轴流式水泵[M].北京:机械工业出版社,1961[32]袁寿其.低比速离心泵理论与设计[M].北京:机械工业出26]关醒凡现代泵技术手册[M].北京:宇航出版社,1995.版社,1997.[27] 刘湘文.离心式泥泵系数设计法[J].水泵技术, 1982(2):[33]张玉新,等.低比转数离心式渣浆泵的无过载设计方法[J].47~49.流体机械,1999(4):16~19.[28]黄黔生.离心式泥泵叶轮的改进[Z].水电部第十三工程局,[34]曾金根.全扬程双流道潜污泵设计[J].水泵技术2001(5):27-29.Present State and Perspectives of Sewage PumpCONG Xiao-qing', YUAN Shou-qi', YUAN Dan-qing, LU Wei-gang'(Research Center of Fluid Machinery and Engineering, Jjiangsu Univensity, Zhenjiang 212013, China; 2.Schoo of Energy and Power. Engineer-ing of Jiangsu Universily, Zhenjiang 212013, China)Abstract: It is always a very important problem for designers to research the law of motion of two-phaseliquid in centrifugal pumps and to perfect its design theory and method. Based on the analysis of the existingsituation, several aspects of sewage pump research such as the research of sewage pump theory， the innerand outer characteristics, and hydraulic design etc. were elaborated separately in this article. The develop-ment of pump production should increase its efforts to research the inner and outer characteristics, to searchthe flow mechanism and to exploit special soft for pump design, which is used in Computer Integrated Man-ufacturing System (CIMS) for pump production.Key words: sewage pump; two-phase liquid; research; present state; perspectives江苏大学流体机械I程技术研究中心两项国家863项目课题通过省级鉴定金秋九月,由江苏大学副校长、博土生导师袁寿其教授主持的“PXH隙控式全射流喷头理论、设计方法及产品研制”及由博土生导师施卫东教授主持的“射流式自吸喷灌泵的研制与产业化开发”分别顺利通过江苏省科技厅鉴定。“PXH隙控式全射流喷头理论、设计方法及产品研制”来源于国家高技术研究发展计划(863计划)“新型喷滴灌系统关键设备的研制与产业化开发”,项目编号2004AA2Z4010。“射流式自吸喷灌泵的研制与产业化开发”属“十五”国家科技重大专项“现代节水农业技术体系及新产品研究与开发"中的“轻小型移动式与大型自走式喷灌机组及配套产品研制与产业化开发”课题,项目编号:2002AA6Z3161。专家们认真听取了研究汇报，对实验现场和数据进行了检查。鉴定委员会充分肯定了两个项目的研究成果及其广阔的推广应用前景,最后一致同意通过鉴定,并给予“成果总体上居国际先进水平,在隙控式射流元件结构方面达到国际领先水平”及“国际先进水平"的高度评价。该项目的鉴定为课题最后圆满通过国家科技部的验收打下了良好基础。(小燕子)