《Advanced Powder Technology》：Study of the transport characteristics of coarse particles at different densities based on a semi-resolved method
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当离心泵输送粗颗粒固液介质时，其水力性能会发生显著变化。粗颗粒还可能引起局部累积、碰撞耗散以及能量损失。因此，揭示粗颗粒流动特性对于泵优化设计与可靠运行具有重要意义。本研究采用半解析CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学
当离心泵输送粗颗粒固液介质时，其水力性能会发生显著变化。粗颗粒还可能引起局部累积、碰撞耗散以及能量损失。因此，揭示粗颗粒流动特性对于泵优化设计与可靠运行具有重要意义。本研究采用半解析CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）-DEM（Discrete Element Method，离散元法）耦合方法，对离心泵内低浓度粗颗粒固液流动进行了数值模拟。通过引入动量源项，以表征粗颗粒对局部流场的影响。数值结果经实验数据验证。该方法能够较好捕捉颗粒运动分布，模拟得到的分布与可视化实验结果一致。颗粒运动差异主要源于密度主导的惯性响应。随着颗粒密度增大，局部斯托克斯数（Stokes number）和颗粒-流体滑移增大，表明颗粒随流能力减弱。叶轮内颗粒输运模式由周向循环逐渐转变为径向穿越。密度较大的颗粒更易向外迁移且停留时间更短，而较轻颗粒表现出更强的周向循环与更长的停留时间。当颗粒密度增加61.4%时，平均停留时间降低20.9%。更高的颗粒密度还会提高碰撞频率和耗散功率，从而导致更大的能量损失和更低的水力效率。
该文发表于《Advanced Powder Technology》，围绕离心泵输送粗颗粒固液两相介质时的颗粒输运机理展开。研究背景在于，随着粗颗粒浮选、深海采矿矿浆输送及选煤等工业场景的发展，粗颗粒输送需求持续增长。与细颗粒相比，粗颗粒惯性更强、随流性更弱，在离心泵入口、叶轮进口等流动加速和转弯显著区域更容易发生滑移、局部聚集、沉积甚至堵塞，进而引起扬程与效率下降、维护成本增加乃至停机等工程问题。已有关于排沙、疏浚和污水处理等细颗粒工况下固液离心泵的研究，已难以支撑粗颗粒固液离心泵的设计与运行。虽然既有研究已证明颗粒粒径、浓度和密度等性质会显著影响泵内颗粒分布、通过性及堵塞倾向，但针对粗颗粒条件下颗粒运动特征及其对局部流场影响的系统分析仍显不足。尤其是传统未解析CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）-DEM（Discrete Element Method，离散元法）方法主要依赖体积平均和经验关联式描述颗粒-流体相互作用，当颗粒尺度接近局部流道尺寸或网格尺度时，往往难以准确刻画颗粒遮挡效应、尾迹扰动以及局部压力、涡结构和剪切特征的变化，导致对粗颗粒运动行为的模拟存在较大不确定性。基于这一问题，研究人员引入半解析CFD-DEM方法，以更精细地处理颗粒边界附近流动，并评估不同密度粗颗粒在离心泵中的输运特性及其对水力性能的影响。
研究人员采用基于浸没边界法（Immersed Boundary Method，IBM）的半解析CFD-DEM耦合框架，在固定流体网格上通过在流体动量方程中引入适当动量源项，近似满足颗粒表面的无滑移边界条件，从而模拟低浓度粗颗粒在离心泵内的固液两相输运。研究重点分析了不同密度颗粒下颗粒空间分布特征、泵内流场结构、颗粒径向与切向速度、停留时间、局部斯托克斯数（Stokes number，表征颗粒惯性响应）及滑移速度，并量化了碰撞频率和耗散功率，用以阐明颗粒聚集与碰撞行为。结果表明，颗粒密度是主导粗颗粒运动差异的关键因素。颗粒密度升高会导致惯性增强、随流能力下降，颗粒输运轨迹由周向循环转向径向穿越，更易向叶轮外缘迁移，平均停留时间缩短，同时碰撞更频繁、耗能更高，最终造成泵内能量损失增大、水力效率降低。这一结论为粗颗粒固液离心泵稳定运行区间识别、输运机制理解和结构优化设计提供了理论依据。
研究人员采用的主要技术方法可概括如下：首先，建立离心泵内流体相控制方程，将流体体积分数变化和颗粒对流场的动量交换源项纳入Navier–Stokes方程求解；其次，采用半解析CFD-DEM耦合方法，在ANSYS Fluent与Rocky DEM平台上模拟颗粒-流体、颗粒-颗粒以及颗粒-壁面相互作用；再次，基于浸没边界法通过动量源项处理颗粒边界无滑移条件，从而提升粗颗粒近场流动解析能力；最后，搭建固液两相流离心泵实验系统，利用高速摄影可视化、流量计、传感器及LED光源对数值结果进行验证。实验对象为透明化的进口管、叶轮和蜗壳区域中的固液两相流动过程。
在研究结果部分，论文首先通过实验对计算方法进行了验证。根据“Experimental setup”和相关验证内容，研究人员构建了固液两相流离心泵实验平台，并通过可视化实验监测颗粒在泵内的运动。将实验结果与半解析耦合模拟结果进行对比后发现，该方法能够较准确再现颗粒在叶轮和蜗壳中的分布特征，模拟所得颗粒运动分布与实验观察结果相一致。这说明所采用的半解析CFD-DEM方法具备较好的适用性，为后续分析不同密度粗颗粒输运行为提供了可靠基础。
在“Governing equations of fluid phase”部分，论文给出了流体相控制方程。研究人员从Navier–Stokes方程出发建立连续性方程和动量守恒方程，并在动量方程中加入颗粒作用于流体的动量交换源项S
p→f。同时，流体体积分数α
f随固相浓度变化而变化。该建模框架表明，研究并非仅将颗粒视为被动示踪物，而是考虑了粗颗粒对局部流场的反作用，因此能够更真实地反映粗颗粒条件下的局部流动非均匀性。
在“Particle spatial response”部分，研究人员以体积分数5%的工况为例，模拟了三种不同密度颗粒的运动特性，并考察了离心泵叶轮区与蜗壳区中颗粒数量随时间的变化。结果显示，颗粒在计算初始时刻从入口附近注入，初速度与水相相同，但随着流动发展，不同密度颗粒逐渐表现出明显不同的空间输运行为。颗粒运动差异主要由密度主导的惯性响应引起：密度越大，颗粒越难及时响应流体加速与转向，越容易偏离流线并向外径方向迁移；密度较小的颗粒则更容易维持随流运动，在叶轮流道中表现出更明显的周向循环特征。由此可见，密度变化改变了颗粒在叶轮中的主要输运路径。
进一步地，研究人员从颗粒惯性与流固相对运动角度解释这一现象。随着颗粒密度增加，局部斯托克斯数增大，颗粒-流体滑移速度也随之增加，这说明颗粒对流场变化的响应能力减弱，难以紧密跟随液相流线运动。在叶轮这种同时存在旋转、加速和转向的复杂流动区域中，较高密度颗粒更倾向于保持原有运动状态，表现出更强的惯性穿越效应。因此，颗粒输运模式由较轻颗粒所具有的周向循环逐渐转变为较重颗粒更显著的径向跨流道迁移。这一结果从机理层面揭示了颗粒密度影响输运结构的根本原因。
在颗粒停留时间方面，研究结果表明，较高密度颗粒更容易向外侧迁移并更快离开叶轮区域，因此其在泵内的平均停留时间更短；相反，较轻颗粒由于随流性更强，更容易在流道内发生周向回旋和循环，从而停留时间更长。论文给出的定量结果显示，当颗粒密度增加61.4%时，平均停留时间降低20.9%。这一结果说明，颗粒密度不仅改变瞬时空间分布，也显著影响颗粒在泵内的输运历程与时间尺度，对于颗粒通过性、局部富集风险和设备磨损位置判断均具有重要意义。
在碰撞与能量耗散方面，研究人员量化了不同密度颗粒的碰撞频率和耗散功率。结果显示，较高密度颗粒因惯性更强、径向迁移更明显，与壁面或其他颗粒发生接触和碰撞的概率上升，导致系统碰撞频率提高。与此同时，碰撞过程中的能量耗散也随颗粒密度增大而增强。碰撞增多与耗散增强共同造成泵内机械能损失增加，最终表现为水力效率下降。这表明，颗粒密度不仅通过改变输运路径影响流动组织，还通过强化碰撞耗散直接削弱离心泵能量转换性能。
综合全文讨论，论文的核心贡献在于将基于浸没边界法的半解析CFD-DEM方法引入粗颗粒固液离心泵研究，弥补了传统未解析方法在粗颗粒近场流动描述方面的不足，并通过实验验证了该方法对于颗粒分布预测的有效性。研究结果明确指出，不同密度粗颗粒在离心泵内表现出显著不同的惯性响应、滑移行为、输运路径、停留时间以及碰撞耗散特征，且这些差异会进一步影响泵的局部流场结构和整体水力效率。论文的意义在于为粗颗粒输送工况下离心泵的稳定运行判据、颗粒通过性评估及抗堵塞优化提供了可信的机理支撑，也为今后开展粗颗粒两相流数值模拟提供了更适配的方法学路径。
研究结论部分可译为：本研究采用ANSYS Fluent与Rocky DEM相结合的半解析CFD-DEM耦合方法，对离心泵内低浓度粗颗粒两相流进行了模拟，并分析了不同密度颗粒在不同浓度条件下的运动特性与碰撞行为。结果表明，该半解析方法与实验结果具有较好一致性，能够有效捕捉颗粒分布与运动特征。颗粒运动差异主要由密度引起的惯性响应差异所支配。随着颗粒密度增加，局部斯托克斯数和颗粒-流体滑移增大，颗粒随流能力下降，叶轮内输运模式由周向循环转变为径向穿越。密度较大的颗粒更容易向外迁移，停留时间更短；当颗粒密度增加61.4%时，平均停留时间降低20.9%。同时，较高颗粒密度会提高碰撞频率和耗散功率，导致更大的能量损失和更低的水力效率。
