碟式分离机向心泵流体仿真分析

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碟式分离机向心泵流体仿真分析

王洪琪，李邦，赖栋

（南京中船绿洲机器有限公司，江苏南京210039）

摘要：针对碟式分离机向心泵进行流体动力学分析研究。通过建立碟式分离机向心泵有限元模型，利用数值计算流体动力学软件（CFX ）模拟研究了向心泵结构对碟式分离机性能的影

响。通过样机实验验证，表明利用数值计算流体动力学（CFD ）可以有效指导向心泵的结构设计。

关键词：碟式分离机；向心泵；数值计算流体动力学；有限元

中图分类号：TQ051.8+4

文献标识码：A

文章编号：1005-8265（2013）02-0022-04

0引言

碟式分离机是一种高效率的分离机械，它利用离心分离原理实现液－固、液－液－固分离，具有分离因数比一般分离机械高的优点。向心泵是碟式分离机中的常用机构，它能把流体的动能转化为压力能，并将流体泵出机外。而且可以通过调整向心泵输送压力，实现轻重液相的分界面位置的微量调整，从而影响分离性能。

向心泵是碟式分离机设计中很重要的一部分，向心泵结构直接影响碟式分离机分离性能的优劣。本文提出了一种利用数值计算流体动力学软件ANSYS CFX 进行碟式分离机向心泵结构设计的方法。通过对碟式分离机向心泵及泵室腔进行适当简化，并利用ANSYS CFX 软件建立了向心泵的有限元分析模型，定义相应的模型工况（包括仿真类型、流体类型、区域类型、物理边界条件速度分布图，等），通过分析向心泵的压力分布图、从而指导向心泵的结构设计。

体与转鼓泵室腔之间没有相对运动，如果将坐标系选定在转鼓泵室腔上，流体对选定的坐标系就处于平衡状态，即相对静止或相对平衡，尽管流体在运动，而且流体质点具有加速度，但因流体质点间无相对运动，故流体内部不存在切应力，流体就像固体一样作整体运动。根据达朗贝尔原理，可以把惯性力加在运动流体上作为静止状态来处理。流体像刚体一样与转鼓泵室腔一起以相同角速度旋转，转鼓泵室腔里的物料自由表面形成一个旋转曲面，呈“抛物面”状。下面简单介绍非惯性坐标系中流体的平衡—等角速度旋转运动（见图1等角速度旋转运动流体受力分析）。

根据流体静力平衡方程的压差方程：f x d x +f y d y +f z d z -1

P d x +

P d y +

P d ）1）z =0（

由于流体为连续介质，流体静压强必为连续函数，故：

dP =ρ（f x d x +f y d y +f z d ）z

质量力为：

f x =w 2r cos α=w 2x ，f y =w 2r sin α=w 2y ，f z =-g（3）将式（3）代入式（2）：dP =ρ（w 2xd x +w 2yd y -gd ）z ）积分，可得：将式（4

（4）（2）

在流体中任意取点A ，单位质量流体受到的

1理论分析

碟式分离机在运行过程中，尤其是在分离过程中，转鼓以恒定的转速高速旋转，向心泵置于转鼓泵室腔内，与转鼓泵室腔不接触，且保持静止状态。可以将转鼓泵室腔简化为开口容器定转速绕立轴旋转，达到稳定状态，流体各部分之间以及流

收稿日期：2013-02-21

作者简介：王洪琪（1969-），男，南京市雨花区政协委员，总工程师，研究员级高工，E-mail ：[email protected].

2013Vol.23No.2

Z P 0

S

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与转鼓泵室腔是非接触的，而且物料的粘度也是有一定范围的，必然导致越靠近转鼓泵室腔中心

h

的物料转速越低，因此，不能将向心泵作为单一对

z s

A g O

z

象进行研究，需要将向心泵和转鼓泵室腔作为一个系统来分析。为了分析向心泵流体动力学特性，

Y

根据碟式分离机转鼓结构的特点，建立向心泵－转鼓泵室腔简化模型（见图2向心泵－转鼓泵室腔简化模型图），除向心泵所占用的空间外，转鼓泵室腔中其它区域作为物理流动区域。

O x a

y A

Y

yw ＾2rw ＾2

X

xw ＾2

图1等角速度旋转运动流体受力分析

2

P =-ρgz+ρw r 2+C

（5）

0.00

40.00(mm)

（r s ，z ）将液面上任意点S 的坐标s 及静压P 0代）式：入（5

ρw 2r 2-r 2

P =P 0-ρg （z-z ）+s s ）

上述公式中：

f x 、f y 、f z 为作用于流体微元x 、y 、z 方向的质量P 为计算处的压强；P 0为静压；ρ为流体密度；力；

w 为旋转角速度；g 为重力加速度；（z s ，r ）为液面s 任意点的坐标；（z ，r ）为流体中任意点坐标。

在ANSYS CFX 流体动力学分析中，可以通过相关的命令来考虑旋转角速度、流体密度、流体粘度、向心泵出口压力、重力加速度的影响。通过分析，可以利用ANSYS CFX 软件进行向心泵流体动力学分析，能够考虑流体密度、流体粘度、向心泵出口压力对向心泵结构设计的影响。

（6）

图2向心泵—转鼓泵室腔简化模型图

2.2向心泵-转鼓泵室腔有限元计算模型

利用Pro/E软件分别建立向心泵和转鼓泵室腔三维模型，转鼓泵室腔为实心体模型，然后将向心泵和转鼓泵室腔三维模型导入ANSYS Work －bench 的Design Modeler 环境中，用向心泵切割转鼓泵室腔，剩余的模型即为向心泵－转鼓泵室腔简），化模型（见图2向心泵－转鼓泵室腔简化模型图在Meshing 环境中完成简化模型的CFX-Mesh 网格划分（图3向心泵－转鼓泵室腔网格模型），再将向心泵－转鼓泵室腔网格模型导入ANSYS CFX 软件环境，在ANSYS CFX 软件环境中，完成坐标定义、仿真类型的确定，物理边界条件的定义，物料类型的确定等工作，便可以进行求解，再查看分析结果。

计算分析采用ANSYS CFX 软件，湍流模型流体区域采用静止域；多相流模型采用k-ε模型，

采用欧拉连续项方法，考虑重力和离心力因素；本文分析了重相向心泵，用于输送水，故分析的物料材料为水（water ），可以直接从ANSYS CFX 软件材料库中选取。

物理边界条件主要包括：出口（outlet ）、进口

2计算分析

2.1向心泵－转鼓泵室腔简化模型

对于带向心泵的碟式分离机，需要将向心泵置于转鼓泵室腔中，用于将物料从转鼓中输送到碟式分离机的外部，利用转鼓泵室腔带动物料高速旋转产生的动能转化为压力能，实现物料的输送，且可以输送到一定高度的容器中。由于向心泵

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述理论分析结果相吻合。越靠近转鼓泵室腔外侧，物料的转速越高，越靠近转鼓泵室腔中心越低（见图6速度分布图）。

Pressure

(Contour1) 7.066e-0025.547e-0028.127e-0027.072e-002-1.713e-002-4.132e-002-6.552e-002-8.972e-002-1.139e-001-1.381e-001[MPa]

0.00

40.00(mm)

图3向心泵—转鼓泵室腔网格模型

20.00

40.00(mm)

（inlet ）、墙（wall ）（见图4物理边界条件）。进口用于模拟物料进入转鼓泵室腔，根据分离机的额定）为0kg/s；处理量，设置进口的流量（mass flow rate 出口用于模拟物料排出，通常碟式分离机重相出口为敞开，没有节流装置，因此，出口的静压（stat －ic pressure ）设置为0bar ；转鼓泵室腔设置为旋转由于转鼓泵室墙，角速度为转鼓转速9600r/min，腔与转鼓以相同的转速旋转；向心泵设置为旋转墙，角速度为0r/s，由于实际工况中向心泵是静止的；其它区域即为物料流动区域。

Pressure

(Contour1) 4.123e+001

Pressure (Contour1) 1.786e-002-2.116e-002-5.018e-002-9.919e-002-1.382e-001[MPa]

20.00

40.00(mm)

图5静压分布图

3.093e+0010.000e+001[MPa]

12.500

37.500

进料口

图6速度分布图

图4物理边界条件

3试验

对于一些容易产生泡沫的物料，为了不影响物料下一步处理，通常需要增加背压，通过增加背压实现消除背压，但有时受到结构的限制，增加背压也是有一定的限度，为此，我们可以改变向心泵的结构，防止外界气体进入转鼓泵室腔，导致大量气体进入物料产生泡沫，同时由于转鼓泵室腔内的物料液面呈抛物面，转鼓泵室腔上部液面比较薄，下部液面比较厚，为了防止气体进入向心泵中，向心泵可以采用“大泵盖”结构（见图7重相向心泵），主要防止气体从上部液面薄

2.3计算结果分析

本文主要研究了向心泵－转鼓泵室腔内流体动力学特性。分析了向心泵－转鼓泵室腔内压力分布、速度分布、物料分布情况。通过分析静压分布图（见图5静压分布图），物料在转鼓泵室腔的带动下作高速旋转，转鼓泵室腔外部的压强最大，越靠近向心泵压强越低，既压强越靠转鼓泵室腔中心越低，物料离心压力对向心泵－转鼓泵室腔的上部压力比下部压力小，既向心泵－转鼓泵室腔内的物料液面呈“抛物面”状，有限元分析结果与上

2013Vol.23No.2弱处进入向心泵。

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通过调整向心泵消耗，对整个分离机运行也不利。结构既可以增加转鼓气密性，又不会对分离机造成影响。

通过试验验证，利用有限元法可以进行碟式分离机向心泵结构分析，在分析过程中，首先建立ANSYS 有限元模型，再施加物理边界条件等，然后经过求解计算可以有效分析向心泵－转鼓泵室腔内流体动力学特性，试验验证这种分析方法对碟式分离机向心泵的优化设计具有很好的指导意义。

大泵盖

图7重相向心泵

4结论

综上所述，为了防止产生泡沫，增加转鼓气密性，一方面可以增加向心泵背压，另一方面也可以调整向心泵结构，但是增加背压会导致增加功率

参考文献：

[1]张国强，吴家鸣. 流体力学[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]孙启才，金鼎五. 离心机原理结构与设计计算[M].北京：机械工业出版社，1987.

The Simulation Analysis of Disc Separator Centripetal Pump

WANG Hong-qi ，LI Bang ，LAI Dong

(CsscNanjing Luzhou Machine CO ．，LTD ，Nanjing 210039，China)

Abstract ：The fluid dynamics analysis of disc separator centripetal pump was studied in this paper. The finite element model of centripetal pump was established, the influence of centripetal pump structure on performance of disc separator was studied by nu －merical computational fluid dynamics software (CFX).The test of the sample machine proved that numerical computational fluid dy －namics (CFD)could guide the design of centripetal pump effectively.

Key words ：disc separator ；centripetal pump ；numerical computational fluid dynamics (CFD)；finite element

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

（上接第21页）

Flow Field Analysis of Sedimentation Centrifuge

KAN Chen ，MING Yu-zhou ，WU Hu

(Cnpe,Beijing 100840, China)

Abstract:Production capacity of sedimentation centrifuge depends on the form and velocity of fluid movement. Study on the internal flow field of sedimentation centrifuge can be helpful for the performance analysis of the centrifuge. The flow fields of two kinds of sedimentation centrifuge at steady-state operation were numerically simulated through CFD technology to explain some phenomena in the actual production process. Comparing residence time and movement form of liquid in two kinds of sedimentation centrifuge drum, conclusions could be drawn that the performance of upright centrifuge was superior to that of inverted centrifuge in these aspects.

Key words ：sedimentation centrifuge ；two phase flow ；Computational fluid dynamics （CFD ）