流体机械

方案	网格数/万	扬程/m
1	215.04	19.43
2	284.25	20.64
3	344.15	21.28
4	423.52	21.78
5	506.61	21.84

方案	网格数/万	扬程/m
1	215.04	19.43
2	284.25	20.64
3	344.15	21.28
4	423.52	21.78
5	506.61	21.84

相互作用	碰撞恢复系数	静摩擦系数	滚动摩擦系数
颗粒-颗粒	0.46	0.38	0.01
颗粒-泵体	0.52	0.34	0.01

相互作用	碰撞恢复系数	静摩擦系数	滚动摩擦系数
颗粒-颗粒	0.46	0.38	0.01
颗粒-泵体	0.52	0.34	0.01

项目	颗粒回流通过率
方案1	54.33%
方案2	56.89%
方案3	61.37%

项目	颗粒回流通过率
方案1	54.33%
方案2	56.89%
方案3	61.37%

叶片数对扬矿泵回流性能的影响研究

唐晓晨 ¹ , 赵杨 ² , 吴蔚 ³ , 刘厚林 ² , 谈明高 ² , 蒋建珍 ¹

流体机械 | 设计计算 2026,54(1): 58-65

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流体机械 |设计计算 2026 , 54 (1) : 58 -65

叶片数对扬矿泵回流性能的影响研究

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唐晓晨¹, 赵杨², 吴蔚³, 刘厚林², 谈明高², 蒋建珍¹

作者信息

¹江苏振华海科装备科技股份有限公司，江苏泰州 225500

²江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏镇江 212013

³成都航昇机电有限责任公司，成都 611730

通讯作者:

谈明高（1980），男，博士，研究员，主要从事现代泵水力优化设计，通信地址：212013江苏省镇江市学府路301号江苏大学流体机械工程技术研究中心，E-mail：tmgwxf@ujs.edu.cn。

作者简介:

唐晓晨（1981），男，高级工程师，主要从事流体机械设计理论与方法研究，E-mail：tangxclj@yahoo.com。

Study on influence of blade number on backflow characteristics of lifting pump

Xiaochen TANG¹, Yang ZHAO², Wei WU³, Houlin LIU², Minggao TAN², Jianzhen JIANG¹

Affiliations

¹Jiangsu Zhenhua Haike Equipment Technology Co.，Ltd.，Taizhou 225500，China

²Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China

³Chengdu Hangsheng Electromechanical Co.，Ltd.，Chengdu 611730，China

出版时间: 2026-01-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.01.008

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摘要

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针对扬矿泵在紧急停泵后，因矿物颗粒沉降回流导致的流道堵塞问题，采用CFD-DEM耦合方法对扬矿泵停泵回流工况下内部固液两相流进行数值模拟，分析叶轮叶片数和导叶叶片数变化对颗粒浓度分布、颗粒回流时间、颗粒碰撞行为及回流通过率的影响，并通过试验验证了数值模拟的可靠性。结果表明，叶片数增加会加剧首级导叶内颗粒积聚与碰撞；优化叶片数匹配可显著改善性能，当叶轮叶片数为3、导叶叶片数由4增至5时，颗粒碰撞次数下降28.18%，回流通过率提升2.56%；在导叶叶片数为5时，叶轮叶片数由3增至4，碰撞次数进一步下降12.36%，回流通过率提升4.48%。研究结果为优化扬矿泵设计提供了理论依据。

关键词

扬矿泵 / 叶片数 / 回流特性 / CFD-DEM耦合方法

Abstract

收起

To address the issue of flow channel blockage caused by mineral particle sedimentation and backflow in a lifting pump after an emergency pump shutdown，CFD-DEM coupling method was used to numerically simulate internal solid‑liquid two‑phase flow during pump shutdown backflow conditions.The effects of changes in the number of impeller blades and diffuser blades on particle concentration distribution，particle backflow time，particle collision behavior，and backflow pass‑through rate were analyzed，and the reliability of the numerical simulation was verified through experiments.The results show an increase in the number of blades exacerbates particle accumulation and collisions in the first‑stage diffuser；optimizing blade number matching can significantly improve performance.When the number of impeller blades is 3 and the number of diffuser blades increases from 4 to 5，particle collision count decreases by 28.18%，and backflow pass‑through rate increases by 2.56%；when the number of diffuser blades is 5，increasing the number of impeller blades from 3 to 4 further reduces collision count by 12.36% and increases backflow pass‑through rate by 4.48%.The research results provide a theoretical basis for optimizing the design of lifting pumps.

Key words

lifting pump / blade number / backflow characteristics / CFD-DEM coupling method

引用本文

唐晓晨, 赵杨, 吴蔚, 刘厚林, 谈明高, 蒋建珍. 叶片数对扬矿泵回流性能的影响研究. 流体机械, 2026 , 54 (1) : 58 -65 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.01.008

Xiaochen TANG, Yang ZHAO, Wei WU, Houlin LIU, Minggao TAN, Jianzhen JIANG. Study on influence of blade number on backflow characteristics of lifting pump[J]. Fluid Machinery, 2026 , 54 (1) : 58 -65 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.01.008

正文

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0　引言

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深海多金属矿产资源开采技术已成为全球研究热点之一^［1］。水力提升式采矿系统是主流采矿方式，扬矿泵作为深海矿浆开采与输送的动力源，是整个采矿系统的核心部件。由于扬矿泵输送的矿石颗粒粒径较大，在紧急停机时，颗粒极易沉降回流造成堵塞，从而导致整个采矿系统无法重启。因此，深入研究扬矿泵内颗粒回流特性，对提升深海采矿系统的运行安全性具有重要意义。

目前，对固液两相流泵的试验研究主要采用高速摄影技术和粒子图像测速法（particle image velocimetry，PIV）^［2-3］；在模拟研究方面，泵内固液两相流的常用数值模型包括离散相模型、双流体模型，以及较新的CFD-DEM（computational fluid dynamics-discrete element method）耦合模型^［4-8］。王英杰等^［10-11］通过试验研究了扬矿泵内颗粒的过泵回流现象，指出当回流颗粒粒径超过输送管径的1/3时，容易导致堵塞。LI等^［12］采用CFD-DEM耦合方法分析了扬矿泵内不同粒径颗粒的回流运动轨迹与堵塞位置，发现直径为50 mm的球形颗粒回流不畅，易在叶轮与导叶连接处堆积。HU等^［13］通过模拟研究了不同粒径颗粒对扬矿泵内流道堵塞的影响，结果表明，10~30 mm的颗粒有利于泵的回流性能。关英杰等^［14］运用CFD-DEM方法计算了不同形状颗粒在单级和两级扬矿泵内的回流过程，发现次级叶轮和导叶流道内的颗粒回流情况与单级泵相似，但各导叶流道内固相流动呈现不同的分布规律。胡琼等^［15］结合试验与数值模拟，研究了故障停机后大颗粒在扬矿泵内回流时的流动特征，发现大量颗粒通过管道落入首级泵中会发生堆积。LI等^［16］研究了叶片包角对扬矿泵回流性能的影响，发现叶轮叶片包角越小，颗粒堵塞越少，回流性能越好。

综上所述，目前对扬矿泵回流特性的研究虽已有一定基础，但关于扬矿泵自身结构参数（如叶片数）对其回流性能影响的探讨仍不够充分。因此，本文采用CFD-DEM耦合方法，研究叶轮叶片数与导叶叶片数的变化对扬矿泵回流性能的影响规律，从而为扬矿泵的设计提供理论依据。

1　研究模型及方法

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1.1　研究模型

以1台两级扬矿泵为研究对象，其主要参数如下：转速n_d=1 450 r/min，流量Q_d=82 m³/h，扬程H_d=20 m，叶轮叶片数为3，导叶叶片数为4，叶轮外径为300 mm，叶片包角分别为φ₁=110°，φ₂=80°。模型泵计算域如图1所示。

1.2　研究方案

将原叶轮和导叶的叶片组合方案记为方案1。为研究叶片数对回流性能的影响，在不改变叶片形状的前提下，增设了如图2所示的两种叶片组合方案：方案2的叶轮叶片数与导叶叶片数分别为3和5；方案3的叶轮叶片数与导叶叶片数分别为4和5。

1.3　网格划分

采用结构化网格对模型泵计算域进行网格划分，确保各个部分的网格质量大于0.2，各部件网格如图3所示。

为确保计算精度并兼顾计算效率，针对模型泵计算域生成了5套不同密度的网格进行网格无关性检验，如表1所示。

结果表明，当网格数达到423.25万时，扬程预测值的变化率已低于0.3%，可认为网格数量对计算结果的影响可忽略。因此，后续计算选用网格方案4。

1.4　数值模拟方法

采用CFD-DEM耦合方法对扬矿泵的回流性能进行数值模拟。其中，连续相基于RANS方法并耦合RNG k-ε湍流模型进行计算，将液体视为连续相，固相颗粒则视为离散相。该耦合计算过程包含双向瞬态数据传递：CFD求解器先对液相流动进行求解，并将流场数据传递至DEM求解器；DEM求解器根据流场信息计算颗粒相运动，获取颗粒的速度、位置分布等信息，随后将结果反馈给CFD求解器。CFD求解器依据颗粒相数据继续求解更新后的液相流场，如此循环迭代，直至完成所有时间步的计算。

在内流计算中，参考压力设为1 atm；计算域整体位于静止坐标系，其中水体初始处于静止状态。重力加速度方向与回流方向一致，设为x轴负方向，大小为9.81 m/s²；流动方向与扬矿泵正转时的方向相反，进口边界设置为1个标准大气压，出口边界给定流量82 m³/h。导叶和叶轮的内壁面均采用无滑移、无穿透的固壁边界条件，近壁区域采用标准壁面函数法进行处理。

在颗粒运动计算中，为模拟泵内颗粒的自由回流，在泵出口（即回流进口）处设置颗粒工厂以生成颗粒。为使颗粒在泵内充分回流，所有交界面均设为虚拟边界。回流总时长设定为4 s，且颗粒工厂在每一时刻均持续生成颗粒。颗粒与颗粒之间、颗粒与泵体壁面之间的相互作用参数如表2所示^［17］。

1.5　试验验证

为验证数值模拟的可靠性，搭建了如图4所示的可视化闭式试验台，测量泵进出口压力，并对球形颗粒在泵内的回流过程进行可视化拍摄。图5示出不同工况下扬矿泵的回流水力损失曲线。可以看出，各工况下数值模拟结果与试验结果偏差均较小，最大偏差为4.62%。

图6示出6 mm球形颗粒回流时，试验与数值模拟所获得的次级导叶内颗粒运动轨迹。从图中可以看出，可视化试验结果与数值模拟结果在颗粒运动轨迹上基本吻合，表明所建立的CFD-DEM耦合模型具有较好的可靠性。

2　结果分析

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2.1　固相颗粒浓度

图7示出不同方案下球形颗粒回流时次级叶轮内的固相颗粒浓度分布。可以看出，颗粒主要集中于叶轮中部至出口区域。由图7（a）（b）可知，随着次级导叶叶片数的增加，叶轮内颗粒总体积逐渐增大。这主要是由于次级导叶叶片数增多，其内部流道数量相应增加，使得次级导叶内的回流更为通畅，进入次级叶轮的颗粒增多，从而导致次级叶轮内固相颗粒浓度上升。对比图7（b）（c）可以看出，随着次级叶轮叶片数的增加，次级叶轮内的颗粒分布面积逐渐减小，同样是由于流道数量增加改善了叶轮内的回流通畅性所致。

图8示出不同方案下首级叶轮内的固相颗粒浓度分布。从图可见，与次级叶轮相比，首级叶轮内颗粒分布的总体积明显更大。其中，方案2的首级叶轮内颗粒分布区域最大，颗粒积聚现象最为显著；方案3中，各叶片流道内的颗粒分布则最为均匀。随着叶轮叶片数的增加，各叶片流道内颗粒分布的均匀性相应提高；而随着导叶叶片数的增加，颗粒分布的均匀性有所下降。

图9示出次级导叶内不同方案下的固相颗粒浓度分布。可以看出，不同方案下次级导叶内的颗粒分布规律基本一致，回流颗粒主要集中在叶片工作面中部至导叶进口区域，且进口处颗粒呈不均匀分布。随着叶轮叶片数和导叶叶片数的增加，次级导叶内的颗粒积聚面积与积聚体积均逐渐减小^［18］。

图10示出不同方案下首级导叶内固相颗粒分布。可以看出，颗粒主要集中在导叶进口处，且各流道进口处的颗粒分布不均匀。这主要是由于各导叶叶片与叶轮叶片的相对位置存在差异，导致各流道内的颗粒回流情况不同。随着导叶叶片数的增加，首级导叶内的颗粒分布面积逐渐减小。对比图9还可以发现，首级导叶内的颗粒积聚区域明显大于次级导叶，表明在回流过程中颗粒更容易在首级导叶中积聚。

2.2　颗粒运动特性

图11示出3种方案下不同回流时刻泵内球形颗粒的运动特性。颗粒在进口段呈螺旋式下降趋势，这主要是由于叶轮叶片进口安放角的影响，使颗粒并非垂直向下流出首级叶轮。所有方案中，颗粒均在 t = 0.17  s 时回流进入次级泵。当回流达到稳定后，在各级叶轮与导叶的连接处均出现颗粒堆积，其中，首级泵内的积聚现象更为显著，这是因为颗粒从导叶回流进入同级叶轮时速度发生较大变化，引发了颗粒之间，以及颗粒与壁面之间的碰撞。次级泵内颗粒的回流速度呈现先下降后上升的趋势，在导叶内速度较低，而在叶轮进口处速度较大；首级泵内颗粒速度同样先降后升，导叶内颗粒速度约为 3  m/s，在导叶进口与叶轮出口连接处速度较低，颗粒在流出泵时速度较高。

在方案1中，颗粒于 t = 1.23  s 时开始流出泵外，其在次级泵内的回流时间为0.24  s，在首级泵内通过时间为0.82  s。方案2中，颗粒在 t = 1.2  s 时流出，次级泵内回流时间为0.23  s，首级泵内为0.8  s，首级泵内时间较方案1缩短0.02  s。方案3中，颗粒在 t = 1.18  s 时流出，次级泵内回流时间为0.23  s，首级泵内为0.78  s，首级泵内时间较方案1缩短0.04  s。由此可见，随着导叶叶片数的增加，颗粒通过泵体的总回流时间减少，首级泵内颗粒速度增大，堆积区域缩小，流道通畅性改善。随着叶轮叶片数的增加，颗粒通过首级泵的时间略有下降，而通过次级泵的时间基本不变，首级泵内颗粒积聚面积逐渐减小，积聚颗粒的速度也有所提高。

2.3　颗粒碰撞

图12示出不同方案下泵内回流颗粒的碰撞次数。从图可以看出，方案1的碰撞次数稳定在3 165次，方案2稳定在2 273次，方案3稳定在1 992次。随着叶片数的增加，颗粒碰撞次数逐渐降低。这是由于叶片数增加使扬矿泵内流道数量增多，回流颗粒更为分散，各流道内颗粒数量相应减少，从而降低了颗粒间的碰撞概率。在叶轮叶片数保持不变的情况下（比较方案1与方案2），导叶叶片数增加使碰撞次数下降了28.18%；在导叶叶片数保持不变的情况下（比较方案2与方案3），叶轮叶片数增加使碰撞次数下降了12.36%。由此可见，增加导叶叶片数对减少泵内颗粒碰撞次数的影响更为显著。

图13示出不同方案下颗粒碰撞形式及其占比。可以看出，各方案中颗粒间碰撞均为最主要的碰撞形式，其最大占比可达71.28%。在方案1中，颗粒与过流部件的碰撞主要表现为与首级泵和次级泵的碰撞，且两者比例较为接近；在方案2和方案3中，颗粒与延长段及首级泵的碰撞占比较大。综上可见，无论是叶轮叶片数还是导叶叶片数的增加，均会使颗粒间碰撞的占比显著降低，同时使颗粒与延长段及首级泵的碰撞次数相应增加。

2.4　颗粒数量分布

图14示出稳定回流后不同方案下导叶与叶轮内的颗粒数量分布。由图14（a）可见，各方案下次级导叶内的颗粒数量基本相当；而首级导叶内的颗粒数量随导叶叶片数的增加而减少，叶轮叶片数的变化对其影响甚微。从图14（b）可以看出，各级叶轮内的颗粒数量均随导叶叶片数的增加而增加，随叶轮叶片数的增加而减少。这主要是因为导叶叶片数增多时，泵内流道数量增加，导叶内的回流通畅性改善，颗粒更易进入叶轮；同样，叶轮叶片数增多也提升了叶轮内的回流通畅性，使得颗粒不易在其中积聚。

综上所述，首级泵内的颗粒堆积量明显高于次级泵，其中，首级叶轮处的颗粒积聚最为显著。此外，随着叶轮叶片数或导叶叶片数的增加，模型泵内的颗粒堆积量均呈逐渐下降趋势。

为量化扬矿泵的回流性能，定义颗粒回流通过率为4  s内流出泵的颗粒数量与流入泵的颗粒数量之比。不同方案下颗粒回流通过率见表3。

结果显示，颗粒回流通过率随叶片数的增加而提高。具体而言，方案1~3的通过率分别为54.33%，56.89%和61.37%。对比方案1与方案2（增加导叶叶片数），通过率提升了2.56%；对比方案2与方案3（增加叶轮叶片数），通过率提升了4.48%。由此可见，增加叶轮叶片数对改善回流性能的作用更为显著。

3　结论

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（1）回流过程中，扬矿泵内颗粒主要在导叶叶片工作面及叶轮与导叶连接处发生积聚，且首级泵内的颗粒堆积更为显著；此外，颗粒间的碰撞为泵内主要的碰撞形式。

（2）随着叶轮叶片数或导叶叶片数的增加，叶轮和导叶内的颗粒堆积区域均有所减小，首级导叶中颗粒分布的均匀性相应下降，颗粒通过首级泵的时间也均有所缩短。同时，增加导叶叶片数使泵内颗粒间碰撞次数下降了28.18%，增加叶轮叶片数使其下降了12.36%；与之相应，颗粒与过流部件的碰撞次数则有所增加。

（3）颗粒回流通过率随着导叶叶片数增加提高了2.56%，随着叶轮叶片数增加提高了4.48%，表明增加叶轮叶片数对回流性能的改善效果更为显著。

参考文献

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文献

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排序方式：

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2026年第54卷第1期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.01.008

接收时间：2025-04-02
首发时间：2026-10-22
出版时间：2026-01-30

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收稿日期：2025-04-02
修回日期：2025-10-18

基金

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¹江苏振华海科装备科技股份有限公司，江苏泰州 225500

²江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏镇江 212013

³成都航昇机电有限责任公司，成都 611730

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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