渣浆泵是输送固体物料的主要设备,广泛应用于采矿、电力、海洋工程等重要行业。常见的渣浆泵结构形式为离心式或混流式,由于输送介质中的固体颗粒以不同形式作用于泵的内壁面,导致过流部件极易发生磨损,降低了使用寿命。减少渣浆泵磨损,延长使用寿命仍然是当今泵领域有待解决的难题。本文以某渣浆泵为研究对象,以石英砂和水的混合液作为输送介质,基于CFX中欧拉-欧拉Particle模型模拟渣浆泵内部的固液两相流动,分析导致渣浆泵外特性降低的原因;以固相体积分数和滑移速度作为参照,定性分析渣浆泵叶轮磨损的原因,结合数理统计方法对渣浆泵叶轮进行优化,主要研究工作和结论如下:(1)介绍了国内外渣浆泵方面的研究现状,较全面的比较了国内外渣浆泵的发展历程;介绍了国内外关于渣浆泵磨损机理的研究现状,归纳了几种主要的磨损模型和磨损公式;介绍了国内外渣浆泵的试验研究现状,总结了几种常用的试验方法。(2)介绍了当前用于模拟固液两相流的方法,对比了每种数值方法的适用范围和优缺点;介绍了几种常用的优化方法,具体阐述了每个优化方法的相关理论与适用范围。(3)基于欧拉-欧拉法Particle模型模拟渣浆泵内的固液两相流动,分别分析了不同流量工况、不同固相体积分数、不同颗粒粒径下渣浆泵叶轮内部的流动情况,并对比分析了叶轮内部固相体积分数和固相滑移速度的分布情况。结果表明:小流量工况下,叶片吸力面靠近进口处和叶轮进口内壁面出现局部固相体积分数高的区域;叶片压力面滑移速度整体高于吸力面,在小流量和设计流量工况下,叶片工作面的前部和尾部的滑移速度大于中部;滑移速度在叶片压力面分布不均匀,叶片出口与后盖板交界处滑移速度明显偏高;叶轮与蜗壳交界面的滑移速度在靠近前后盖板处最高,且流量增大到设计流量时,高速区向交界面中间处转移;固相体积分数升高、粒径增大会导致泵的扬程和效率下降;固相体积分数的升高,导致叶片出口滑移速度增大,叶片吸力面固相体积分数升高;粒径的增大,导致叶片出口滑移速度增大,固相体积分数升高。(4)基于响应面方法对叶轮的四个关键设计参数:叶片数、叶轮直径、叶片出口宽度、包角进行了试验研究,试验由全因子试验和响应面试验组成,结果表明影响扬程的显著性顺序为:叶轮直径>叶片数>叶片出口宽度>包角;对效率的显著性顺序为:叶轮直径>包角>出口宽度>叶片数二次项。通过求解扬程和效率的回归方程,得到一组优化解和扬程、效率的预测值。对优化解进行定常流动计算,结果显示,扬程和效率的计算值与预测值的偏差在5%以内,回归模型拟合效果较好。对新泵叶轮和原泵叶轮的固液两相流结果对比发现,新泵叶片出口、叶轮与蜗壳交界面的固相滑移速度明显下降,叶片压力面的固相滑移速度分布更均匀,叶轮进口内壁面固相体积分数减小。(5)分别制造原泵和新泵的试验样机,对两台渣浆泵同时进行磨损试验。试验方法采用失重测量法,为了加快磨损试验,固体颗粒石英砂的粒径从100目增大到40目,浆体比重由1.02g/ml增加到1.7g/ml,泵运行转速增加了210r/min;试验后期增加了固体颗粒棕刚玉,磨损试验共运行了103.5h,以原泵出口压力下降明显为标志。试验结果显示:原泵叶轮叶片压力面磨损严重,且叶片出口与后盖板交界处被磨穿,原泵叶片出口采用圆弧型线设计比采用直线型设计的新泵叶轮出口磨损严重;原泵叶片吸力面靠近进口处的磨损比新泵严重;原泵叶片前缘与后盖板交接处被磨穿。相比原泵试验结果,新泵有效减少了磨损,延长了使用寿命,达到了预期设计目标。