选矿用离心式渣浆泵固液两相流研究.pdf

分癸号 可 月夕| | U D C ι 2 1 、あ Acarlenric ユ像 安J 士 ら相1 ん所斃 れ力二径4 工 程像 ′ 物理 . | ヨ 1 民 新 _ 二_ l V l a 、 J I A N C S UU N I V E R S i 丁Y 学木型碩士学 T ｀l l c s i 、 f o l ・ | 碩士癸別 沈文題目 学科寺並 作者姓名 指早教l J m 密吸 編号 ク4 が月ぶィ ッ 武 、 た彙ζ 答丼 日期2 o ′ , 夕、3 b | 万方数据 独 御l 性声 明 本人邦重声明 所呈交的学位栓文, 是本人在早岬的指尋下, 独立避行研究 工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外, 本栓文不包含任何其他今人 或集体己径友表或撲写述的作品成果, 也不包含力荻得江亦大学或其他教育机杓 的学位或江弔而使用道的材料。 対本文的研究傲出重要貢献的今人和集体, 均己 在文中以明碗方式林明。本人完全意沢到本声明的法律結果 由本人承担。 目 シ 効物 「 ９ ・・フ 名 釜 者 作 文 沿 位 学 万方数据 単位沿文版枚使用授枚ギ 江亦大学、 中国科学技木倍息研究所、 国家因弔館、 中国学木期刊 光盤版 屯子余志社有枚保留本人所送交学位稔文的隻印件和 屯子文梢, 可以采用影印、 姉印或其他夏制手段保存沿文。本人屯子文梢的内容和妖反稔文的内容相一致 , 允資稔文被査凋和借同, 同吋授杖中国科学技木信虐 、研究所杵本稔文編入 中国 学位沿文全文数据庫井向社会提供査洵, 授杖中国学木期刊 光量版 屯子余 志社 1 宅本沿文編入 中国仇秀博傾士学位稔文全文数据庫井向社会提供査洵。 稔文的公布 包括刊登 授枚江方大学研究生院亦理。 本学位稔文属千不保密 昭4 学位稔文作者釜名 l a l ] 知 ン1 1 年 ι 月 | , 日 l 旨早教り 市 釜名 ブら4 秒 ル1 1 年ろ 月, 日 万方数据 选矿用离心式渣浆泵固液两相流研究选矿用离心式渣浆泵固液两相流研究 Study of solid-liquid two-phase flow of centrifugal slurry pump for mineral processing 专业名称 动力工程及工程热物理 指导教师 彭光杰 研 究 生 周国新 2019 年 5 月 万方数据 江苏大学硕士学位论文 I 摘 要 在矿山、疏浚行业里，大型离心式渣浆泵有着广泛的应用。此类渣浆泵的转 速低、流量大，并且输送的料浆浓度高，因此泵的过流件磨损十分严重。在矿山 行业中所应用的渣浆泵的普遍寿命仅为 2030 天， 而大型离心泵的拆卸与安装十 分耗时，频繁的替换过流件会带来很大经济损失，因此提高过流件的使用寿命是 国内外学者的重要研究方向之一。而磨损失效的主要原因之一是局部磨损。研究 大型离心式渣浆泵内部的流动特性，分析产生局部磨损的原因，可以为渣浆泵优 化设计提供一定的参考。 本文以应用于选矿厂磨矿回路中的重型渣浆泵为研究对象， 分析其在不同流 量工况和不同颗粒浓度时，浆体在全流道内的流动规律，研究工作如下 （1）总结目前固液两相流数值模拟方法，选择合适的计算模型，并对计算 模型进行无关性验证。结果表明针对输送浆体高浓度、细颗粒的特点，选择欧 拉法进行两相流内部流场计算，不同数量的网格对泵性能影响很小；随着网格数 的增多，网格对内部流场的影响也逐渐降低。 （2）运用 CFX 软件对渣浆泵内部流场进行两相流数值模拟，分析不同流量 工况和不同颗粒浓度对内部流场的影响， 着重分析固相体积分数和固相滑移速度 分布。结果表明小流量工况下，泵内的流动很不稳定，回流明显增大；颗粒浓 度由 10增大到 50， 隔舌附近壁面的固相速度升高， 前护板壁面的固相体积分 数增高，产生局部磨损。 （3）在 SABC 磨矿回路中对渣浆泵进行现场试验，观察记录局部磨损严重 的位置，验证仿真分析的合理性。结果表明局部磨损的位置分布在叶轮进口位 置、护板与护套靠近隔舌的位置和前护板内侧。 （4）改变渣浆泵的结构，分析不同结构对内部流场的影响，与实际磨损情 况进行对比，为磨损优化提供一定的参考。结果表明缩减叶轮进口直径与出口 宽度，有效的改善了叶轮进口处的流动，降低了前护板的固相体积分数；去除背 叶片能有效的降低隔舌壁面附近固相速度， 但前背叶片的去除会引起前护板固相 体积分数的增大；前腔间隙的适当增大可以降低壁面的磨损。 关键词关键词离心式渣浆泵, 固液两相流, 高浓度, 磨损优化 万方数据 选矿用离心式渣浆泵固液两相流场分析 II 万方数据 江苏大学硕士学位论文 III Abstract Large centrifugal slurry pumps are widely used in mining and dredging industries. This kind of slurry pump has several characteristic, such as low speed, high flow rate and transport high concentration slurry. So the wear is very serious. Universal life of slurry pumps used in mining industry is only 20-30 days. The disassembly and installation of large centrifugal pumps need much time. Frequent replacement of overflow parts will bring huge economic losses. Therefore, improving the service life of slurry pump is one of the important research direction for scholar at home and abroad. Local wear is one of the main reason of wear failure. Local severe wear of overflow parts lead to perance decrease. The study of flow characteristics in large centrifugal pump and analysis of the causes about local wear can provide some suggestions for its optimal design. In this paper, the heavy slurry pump used in grinding circuit of concentrator is taken as the research object. Analyze the flow law of slurry in the whole flow channel under different working conditions and particle concentration. The research work is as follows 1 Summarize the current numerical simulation s of solid-liquid two- phase flow, select the appropriate calculation model for this paper and verify the independence of the calculation model. The results show that the Euler is selected to calculate the internal flow field of two-phase flow according to the characteristics of high concentration and fine particles for slurry conveying, different number of grids have little effect on pump perance; with the increase of grids, the influence of grids on the internal flow field is gradually reduced. 2 CFX software was used to simulate the two-phase flow field in slurry pump. The effects of different flow conditions and particle concentration on the internal flow field were analyzed, with emphasis on the solid volume fraction and solid slip velocity distribution. The results show that the flow in the pump is very unstable and the reflux increases, it is obvious under the condition of small flow rate; the particle concentration 万方数据 选矿用离心式渣浆泵固液两相流场分析 IV increases from 10 to 50, the solid phase velocity near the tongue increases and the solid phase volume fraction of the front guard plate increases, resulting in local wear. 3 Field test of slurry pump was carried out in SABC grinding circuit. Observe and record the location of severe local wear to verify the rationality of simulation analysis. The results show that the location of local wear is located at the impeller inlet, the position on guard plate and the sheath which near the tongue, and inside the front guard plate. 4 Change the structure of slurry pump and analyze the influence of different structures on the internal flow field. Compare with the actual wear situation, to provide some reference for wear optimization. The results show that reducing the impeller inlet diameter and outlet width can effectively improve the flow at the impeller inlet and reduce the solid volume fraction of the front guard plate; removing the back blade can effectively reduce the solid velocity near the tongue wall, but the removal of the front blade will cause the increase of the solid volume fraction of the front guard plate; appropriately increasing the clearance of the front chamber can reduce the wall wear. Key word Centrifugal Slurry Pump, Solid-liquid two-phase flow, High concentration, Wear optimization 万方数据 江苏大学硕士学位论文 V 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 ............................................................................................................... 1 1.1 课题的研究背景和意义................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状............................................................................................... 2 1.2.1 两相流泵的研究现状............................................................................. 2 1.2.2 固液两相流磨损规律的研究现状......................................................... 4 1.2.3 背叶片结构的研究现状......................................................................... 6 1.3 本文的主要研究内容和方法........................................................................... 7 第二章第二章 固液两相流数值模拟研究方法固液两相流数值模拟研究方法 ................................................................... 8 2.1 欧拉-欧拉算法 ................................................................................................. 8 2.2 欧拉-拉格朗日算法 ....................................................................................... 11 2.2.1 颗粒在运动流体中的受力分析........................................................... 11 2.2.2 颗粒与壁面的相互作用....................................................................... 13 2.3 拉格朗日-拉格朗日算法 ............................................................................... 14 2.4 本章小结......................................................................................................... 15 第三章第三章 矿用渣浆泵内部流场固液两相流分析矿用渣浆泵内部流场固液两相流分析 ..................................................... 16 3.1 模型参数......................................................................................................... 16 3.2 三维模型建立................................................................................................. 16 3.3 网格划分......................................................................................................... 17 3.4 边界条件设置................................................................................................. 20 3.5 不同流量工况的定常模拟计算结果分析..................................................... 20 3.5.1 进口段流场分析................................................................................... 21 3.5.2 蜗壳壁面分析....................................................................................... 23 3.5.3 前护板壁面分析................................................................................... 25 3.5.4 后护板壁面分析................................................................................... 26 3.5.5 叶轮壁面分析....................................................................................... 28 3.6 不同颗粒浓度的定常模拟计算结果分析..................................................... 30 3.6.1 颗粒浓度对叶轮进口的影响............................................................... 30 万方数据 选矿用离心式渣浆泵固液两相流场分析 VI 3.6.2 颗粒浓度对固相速度的影响............................................................... 32 3.6.3 颗粒浓度对固相体积分数的影响....................................................... 33 3.7 非定常数值模拟方法..................................................................................... 33 3.7.1 不同流量工况压力脉动分析............................................................... 34 3.7.2 不同固相浓度压力脉动分析............................................................... 36 3.8 本章小结......................................................................................................... 37 第四章第四章 渣浆泵的实际渣浆泵的实际磨损特性分析磨损特性分析 ..................................................................... 38 4.1 磨损条件......................................................................................................... 38 4.2 渣浆泵的运行回路......................................................................................... 39 4.3 渣浆泵实际磨损结果分析............................................................................. 40 4.3.1 前护套失效特征................................................................................... 40 4.3.2 前护板失效特征................................................................................... 41 4.3.3 叶轮失效特征....................................................................................... 42 4.3.4 后护套失效特征................................................................................... 43 4.3.5 后护板失效特征................................................................................... 44 4.4 本章小结......................................................................................................... 44 第五章第五章 矿用渣浆泵结构优化与内部流场分析矿用渣浆泵结构优化与内部流场分析 ..................................................... 45 5.1 叶轮进口直径对内部流场的影响................................................................. 45 5.2 前腔间隙对内部流场的影响......................................................................... 49 5.3 背叶片设计对内部流场的影响..................................................................... 52 5.3.1 固相体积分数分布............................................................................... 53 5.3.2 固相滑移速度分布............................................................................... 54 5.4 本章小结......................................................................................................... 58 第六章第六章 总总结与展望结与展望 ................................................................................................. 60 6.1 总结................................................................................................................. 60 6.2 展望................................................................................................................. 61 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 62 致谢致谢 ............................................................................................................................. 67 作者攻读硕士学位期间发表的论文作者攻读硕士学位期间发表的论文 ......................................................................... 68 万方数据 江苏大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 课题的研究背景和意义 泵是用来进行水力输送的通用机械设备。泵在农业灌溉、河道疏浚、城市供 水以及矿料运送等各行各业都有广泛的应用，其中离心泵的应用最为广泛，市场 上 80的泵都是离心泵的结构。 离心泵用于输送固液两相介质已经很久远了。中国的水力资源丰富，但河流 的含沙量很大，对于水电站的水力机械的首要问题为泥沙的冲蚀磨损[1]。渣浆泵 是用于输送含有磨蚀性介质的离心泵，由于所输送介质的物理、化学特性不同， 渣浆泵的结构会发生变化，它们一般较之输送清水的泵更为坚固，并常常具有可 更换的过流部件，其过流部件根据材料的不同分为金属和弹性体两种。固液混合 流体流速较高、流量大，离心泵作为固体物料水力输送的关键设备，广泛存在于 冶金环保、化工、土建、疏浚和农业等工程领域，据不完全统计，由于磨损而需 要补充的备件所用材料达到 100 万吨钢材/年，相当于 20 亿元左右，其中水泵 备件占很大的比例。 在矿山的选矿流程中使用的都是重型渣浆泵， 随着最近几年矿山的大型化发 展， 矿山对单系列的处理能力要求越来越大，单系列处理量自 10000 吨发展到了 50000 吨每天，甚至还有更进一步增大的趋势，进而对选矿设备之一的渣浆泵的 处理能力要求也越来越高。 另一方面， 金属矿山选矿系统工业的发展， SABC （半 自磨、球磨、破碎）破磨工艺流程逐渐成为国内外有色金属矿山大力推广应用的 矿山预处理系统，使用越来越普遍，SABC 工艺与传统选矿工艺相比，具有简化 工艺流程、降低生产运营成本、易于操作管理和无粉尘污染等优点，但由于在该 工艺中采用了半自磨机，其出料矿石粒度相比传统工艺粗，渣浆泵所输送的浆体 浓度也高，使得在此工况下运行的渣浆泵过流部件的磨损越严重，应用传统结构 设计的渣浆泵在此工位使用寿命仅为 2030 天， 远不能满足矿山用户的需求， 尤 其对矿山行业而言，时间是非常宝贵的，矿用渣浆泵都需要尽可能的延长使用寿 命来降低过流件的替换频率。 因此，提高渣浆泵的使用寿命是一个很有意义的课 题。 渣浆泵在输送固体颗粒时，固体会引起过流部件的磨损，造成工作部件材料 万方数据 选矿用离心式渣浆泵固液两相流场分析 2 流失、寿命缩短等问题，给生产带来巨大损失[2]。另一方面，磨损会使得泵的水 力性能下降，导致泵的抗汽蚀能力减弱。磨蚀与汽蚀的同步作用会使得过流部件 的磨损更加的严重，使得泵的可靠性和稳定性降低。 两相流比单相流复杂很多，一方面是固相与液相拥有各自的流动参量，因此 就需要一倍的变量来描述两相的运动；另外，不同的颗粒大小、两相的体积分数 以及各相的物理性质都有很大的变化空间， 会对介质的流动形态产生很大的影响。 不同类型的流动必须用不同的方法处理， 这增加了建立两相流理论的难度。 此外， 渣浆泵的磨损也是一个复杂的过程， 它与输送的介质的物理特性和流变特性有关， 还与泵的设计结构和所用的材料有关。长期以来，研究者们受限于试验的条件， 对混合物的流动特性缺少一个透彻的认识。 为了减少渣浆泵内部的磨损，国内外许多的研究机构一直在探索，一方面是 改变过流部件的材料， 提高其自身的抗磨性能。 另一方面是对水力模型进行优化， 根据固体颗粒的内部运动轨迹来设计叶片的叶型和流道的形状以及叶片数量的 选择等，来改善两相流的内部流动情况。水力机械是由多个部件组合而成，它们 在运行过程中是一个整体，孤立的分析叶轮或流道的流场是不够全面的，必须对 流道和叶轮结合起来进行分析计算。近年来，由于计算方法的改进以及计算机硬 件和软件的快速发展， 使得我们可以运用数值计算方法对流体机械进行整体分析 计算并进行优化设计。 目前，随着工业的迅速发展，泵的输送问题在工业领域中占的分量也在不断 提高，而渣浆泵用于输送固液两相流介质，磨损是主要问题。渣浆泵通常采用硬 质合金泵壳或者铸铁外壳加内衬制成，合金价格昂贵；而普通材料的耐磨性差， 需要频繁替换过流件，浪费大量材料、维护费用和时间，对离心式渣浆泵运行的 经济性及可靠性都极为不利。因此设计出高效率、低磨损、高寿命的渣浆泵是十 分有意义的[3]。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 两相流泵的研究现状 国内外对渣浆泵的研究也是从设计理论开始，随着计算机技术的发展，CFD 技术逐渐应用于固液两相流泵的数值模拟中， 早期的渣浆泵设计都是基于单相流 理论设计的，效率低，磨损严重。直到80年代初才出现固液两相流设计理论，清 万方数据 江苏大学硕士学位论文 3 华大学许洪元[4]-[7]教授提出离心式渣浆泵的固液两相流速度比设计理论，设计开 发出高效、节能、耐磨的X型固液两相流泵，并且使用了粒子成像测速（PIV）实 验方法来对两相流的流速分布进行了分析。石家庄杂质泵研究所何希杰[8]-[9]推导 了渣浆泵的基本方程式， 建立了固相和液相在泵内的流动情况和其与外特性之间 的关系，并提出了渣浆泵简便的优化设计方法，提出了使用经验系数法设计离心 式渣浆泵并且提出渣浆泵的寿命估算方法，分析了影响使用寿命的影响因素，讨 论了如何减小磨损来提高寿命。蔡培元提出了两相离心泵的畸变速度设计方法。 随着计算流体力学的发展， 使用高速计算机研究渣浆泵内部流场的流动情况 逐渐成为了热点。吴波[10]等人使用双流体模型、RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算 法对全流道渣浆泵的外特性进行了模拟计算，并且分析不同浆体参数、 叶型等条 件对泵的性能的影响。 刘娟[11]等人对液相使用了雷诺应力模型， 对固相采用离散 相模型， 对固体颗粒进行拉格朗日追踪来研究颗粒的运动轨迹和颗粒与过流表面 的撞击，并且使用了Finnie的冲蚀磨损模型来研究不同颗粒对过流部件的撞击。 汪家琼[12]采用了CFX中的particle模型模拟固液两相流离心泵的内部流动情况， 重 点分析了过流壁面处的颗粒的滑移速度与颗粒体积分数分布对磨损的影响。 刘建 瑞等[13]采用Mixture模型对离心叶轮固液两相流场进行研究，得到了不同特性的 固相颗粒以及不同工况对固相浓度分布的影响， 并分析了各种情况下外特性的变 化规律。 Shibaocheng[14]等人为了避免固液搅拌过程的高速旋转的影响， 设计了无 搅拌的试验台来进行PIV试验，研究离心泵内部的固液两相流动。朱祖超[15]采用 了10mm和36mm粒径的颗粒来对双流道泵进行了固液两相流的水力性能测试， 并且对泵的磨损特性进行分析。罗亮[16]使用了fluent中的Eluerian两相流模型和 DPM两相流模型来对渣浆泵内部流场进行了模拟， 预测了其磨损特性， 研究表明 磨损严重的位置主要在叶轮的进口边和出口边。何希杰[17]-[18]应用了灰色系统理 论分析泵几何参数的关联性，研究多个几何参数对泵的水力性能的综合影响，利 用灰色理论对7组数据、10种组合的灰色关联性进行分析，结果表明出口安放角 和叶片数关联性最大， 同时他也使用了灰色理论对渣浆泵的寿命进行了Ⅰ级和Ⅱ级 影响因素的分析，计算结果表明，材料的物理特性对使用寿命的影响最大，现场 使用条件对其影响最小。B.K.Gandhi[19]等人试验了不同颗粒尺寸分布（PSD）对 离心泵扬程、功率等的影响，分析结果显示不仅浆体的浓度会产生影响，浆体内 万方数据 选矿用离心式渣浆泵固液两相流场分析 4 颗粒的尺寸分布和浆体的物理特性也会产生影响。 Kumar S[20]等人使用了fluent对 不同转速下的渣浆泵进行了稳态分析，在蜗壳和叶轮的动静交界面上采用了 MRF模型， 对比分析不同湍流模型对性能模拟结果的影响， 再与实验的结果进行 比较，最后发现标准k-ε湍流模型的结果误差最小，模拟结果会产生5左右的误 差。Adnan Aslam Noon[21]等人研究了颗粒的浓度、尺寸和形状对磨损率的影响， 将磨损研究点放在蜗壳上， 通过对蜗壳在磨损前后的重量对比来获得蜗壳的磨损 率，分析结果发现了CFD结果与实际试验结果基本相符，并且发现温度会影响冲 蚀磨损的发生。 K. V. Pagalthivarthi[22]等人采用了双向耦合的方法模拟了稀疏浆体 浓度，研究了不同进口流速、转速、颗粒直径和蜗壳的几何形状对降低磨损的作 用。 固液两相离心泵是一种应用很广泛的离心泵， 从设计理论研究发展到数值计 算， 国内外的诸多学者对颗粒的物理属性对泵的性能的影响已经做了很多的研究， 并将数值计算与试验结果进行了对比， 但大都集中在了不同的计算模型对计算结 果的影响，但如何对