Computational modeling of two-phase fluid flow and finding the favorable location for degassing hole in centrifugal pumps

Abstract

This thesis studied the behaviour of a pulp–air mixture in centrifugal pump using computational fluid dynamics. The objective was to find suitable modelling methods for simulating gas accumulation and evaluating the favorable placement of degassing holes. Two simulation approaches were tested: the Lagrangian–Eulerian discrete phase model and a full Eulerian multiphase model. The discrete phase model was unable to predict the gas accumulation, as all injected gas exited through the pump outlet. The Eulerian model, on the other hand, was able to predict pump performance near the best efficiency point with reasonable accuracy.

The simulations showed that gas accumulation occurred mainly on the pressure side of the impeller blades, and the regions of highest gas concentration were identified as potential locations for degassing holes. It was also found that increasing the drag coefficient modification factor reduced gas separation but did not significantly affect the simulated pump head, efficiency, or power. However, the lack of experimental data on gas bubble size and inlet gas volume fraction limited the validation of the results. The study demonstrated that CFD can be a useful tool for modelling non-Newtonian two-phase flow in pumps and for supporting the design of degassing hole placement. The results offered practical insight for improving the performance of pumps handling gas–pulp suspensions.

Tässä työssä tutkittiin sellumassasta ja ilmasta koostuvan kaksifaasiseoksen käyttäytymistä keskipakopumpussa käyttäen numeerista virtauslaskentaa (CFD). Työn tavoitteena oli löytää soveltuvia mallinnusmenetelmiä kaasun kertymisen simuloimiseksi sekä arvioida kaasunpoistoreikien sopivaa sijaintia. Työssä testattiin kahta simulaatiomenetelmää: Lagrangian–Eulerian diskreettiä faasimallia sekä täysin Eulerin menetelmään perustuvaa monifaasimallia. Diskreetti faasimalli ei onnistunut tuottamaan realistista kaasun erottumista, sillä kaikki syötetty kaasu poistui pumpun ulostulon kautta. Eulerian malli sen sijaan pystyi ennustamaan pumpun suorituskyvyn parhaan hyötysuhteen pisteen läheisyydessä kohtuullisen tarkasti.

Simulaatiot osoittivat, että kaasu kertyi pääasiassa juoksupyörän lapojen painepuolelle, ja suurimman kaasupitoisuuden alueet tunnistettiin mahdollisiksi kaasunpoistoreikien sijaintikohdiksi. Lisäksi havaittiin, että vastuskertoimen säätökertointa kasvattamalla kaasun erottuminen väheni, mutta vaikutus pumpun nostokorkeuteen, hyötysuhteeseen ja tehoon oli vähäinen. Tulosten validointia rajoitti kokeellisen tiedon puute kuplakokojakaumasta ja sisäänmenon kaasutilavuusosuudesta. Tutkimus osoitti, että CFD on käyttökelpoinen työkalu sellu-ilma virtauksen mallintamiseen pumpuissa ja kaasunpoistoreiän sijoittelun suunnittelun tukena. Tulokset tarjosivat käytännön näkökulmaa pumppujen suorituskyvyn parantamiseen kaasuja sisältävien kuitususpensioiden käsittelyssä.