顆粒體積濃度對半開式葉輪離心泵泄漏渦和磨損的影響

王 凱，柳涵宇，王李科，盧金玲

（西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，西安 710048）

0 引言

與閉式葉輪離心泵相比，半開式葉輪以其結構簡單緊湊、維護方便、便于輸送黏性較大流體等優點，在石油化工、水利工程等領域越來越受到青睞[1]。但是，葉片與泵體形成的葉頂間隙會導致在葉片壓力面和吸力面壓差的作用下產生流動分離、二次流和脫流等不穩定流動，使泵內流動損耗較高[2-4]。中國河流含沙量較大，離心泵長期運行于此類泥沙濃度較大的流體環境中時，水中的固體顆粒會對過流部件產生撞擊和切削，使過流表面產生變形，發生磨損破壞，導致機組運行穩定性變差，效率降低[5-7]。

目前國內外研究學者對顆粒濃度對水力機械的磨損速率的影響進行了大量的研究。LEI 等[8]基于SST 湍流模型，結合歐拉-拉格朗日方法模擬泵內泥沙顆粒的運動軌跡和磨損機理，從而建立顆粒參數與泵性能及轉輪葉片磨損情況的關聯。SHEN 等[9]基于歐拉-拉格朗日的離散相模型，模擬了不同固相質量濃度工況下的螺桿離心泵內部流場，分析了固相顆粒的能量變化、軌跡特征及磨蝕規律。LAI 等[10]采用雙向耦合歐拉-拉格朗日方法對離心泵進行磨蝕計算并預測磨蝕機制，得到了過流部件磨損嚴重的區域分布。張自超等[11-12]考慮相間阻力和泥沙擴散系數兩方面的影響，基于改進的Euler-Euler 算法對雙吸離心泵流場進行數值模擬，得出湍流強度和顆粒動態尺度對磨損嚴重的塊狀磨損區分布。張玉良等[13]基于代數滑移混合物模型對離心泵內部流場進行定常流動數值計算，發現在靠近隔舌的葉輪出口處的三種速度組合的雙剪切層射流-尾流結構和固相體積分數對葉片表面的磨損程度影響。汪家瓊等[14]基于Particle 模型和非均相模型，分析了離心泵過流部件壁面處固體顆粒體積濃度與磨損程度間的關系。周世杰等[15]基于相關試驗改進了固相粒子動量方程，結合Alert 磨損經驗公式對抽黃用泵進行數值模擬計算和分析，固相體積濃度遞增加劇了葉輪進口回流現象和部件表面磨損程度。

半開式葉輪葉頂間隙泄漏流研究方面，張青揚等[16]對半開式葉輪離心泵進行全流道數值模擬，發現葉頂間隙影響葉輪流道中的壓力分布，產生的回流、渦流、擾流等不穩定流動嚴重影響泵內部流場性能參數。AYAD等[17]通過數值模擬研究發現不同流速條件下，發現不同流量工況下離心泵揚程和效率的變化與葉頂間隙變化量近似為回歸效應，增加葉頂間隙寬度，二次流產生的渦旋會阻礙核心流動。MOUSMOULIS 等[18]采用了一種齊次方法分別對半開式徑向葉輪離心泵在兩相條件下進行數值模擬，分析了葉頂間隙區域與葉輪回流和靠近葉片前緣的二次流間的關聯性。賈曉奇等[19]對不同工況下半開式葉輪離心泵內部三維湍流流場進行數值模擬，揭示了不同流量工況下葉頂間隙泄漏渦的流動特性、葉頂間隙總壓與相對速度分布規律。

現有針對半開式葉輪離心泵的研究多集中在單相流條件下的不穩定流動特性，關于固液兩相流磨損規律的研究多為顆粒參數與葉片磨損速率的外在關聯。但是，從動力學機理的內在角度來講，泄漏渦對流道的阻礙作用會改變顆粒的運動趨勢，包括顆粒運移方向和速度，同時顆粒穿過渦會破壞渦結構，因此顆粒撞擊、泄漏渦變化和顆粒運動軌跡之間的相互作用加劇了磨損行為的復雜性和多變性。而對于固液兩相流條件下半開式葉輪離心泵在不同顆粒體積濃度時泄漏流特性、顆粒運動特性和磨損特性之間內在關系的研究較為匱乏，尤其缺乏顆粒運移對流體擾動的影響。因此，本文采用雙向耦合的歐拉-拉格朗日方法，考慮流體-顆粒間的相互作用，同時結合Finnie 磨損模型，通過數值模擬探究不同顆粒相體積濃度對半開式葉輪離心泵內固液兩相流場及過流部件磨損規律的影響，深入分析顆粒運移、泄漏渦結構和過流表面磨損之間的交互作用機制，擬為固液兩相流半開式葉輪離心泵優化設計和安全穩定運行提供理論參考。

1 數學模型

1.1 液相

本文中的顆粒濃度較小，將半開式葉輪離心泵內液相均視為三維不可壓縮流體，連續性方程和動量方程分別如式（1）和式（2）所示，動量交換源項為式（3）[20]：

式中u為流體速度，m/s；p為靜壓，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；μ為流體的動力黏度，N·s/m2；考慮固液兩相的交互作用，通過增加一個固液兩相動量交換的源項Fi（i=1,2,3）表示顆粒對流體的影響，FD為曳力，N；FB為浮力，N；FM為虛擬質量力，N；FP為壓力梯度力，N；Vcell是一個計算單元體積。

1.2 固相

固體離散相模型粒子軌跡的計算是獨立的，單個粒子在特定時間間隔內被追蹤運動軌跡[21]。半開式葉輪離心泵中顆粒運動軌跡的改變受重力、曳力、虛擬質量力、Basset 力、Saffman 升力和Magnus 升力等主導，由于連續相為水相時Basset 力、Saffman 升力和Magnus 升力相對于曳力非常小，且Saffman 升力和Magnus 升力僅對直徑處于1～10 μm 的顆粒有明顯影響[22-23]。本文的顆粒粒徑為0.5 mm，且連續相為水相，因此僅對曳力、重力、浮力、虛擬質量力和壓力梯度力進行分析?？刂品匠虨閺V義牛頓第二定律，可表示為[24-25]

式中mp為粒子質量，kg；up為粒子速度，m/s。

式中CD為曳力系數；Rep為顆粒雷諾數；ρp為顆粒密度，kg/m3；dp為顆粒直徑，mm。

重力FG和浮力FB可表示為

虛擬質量力FM可表示為

其中，CM為虛擬質量系數0.5。

壓力梯度力FP可表示為

1.3 磨損模型

顆粒對部件過流表面進行撞擊和切割，導致部件變形，材料發生疲勞破壞。產生的磨損是與顆粒特性、沖擊條件和壁材特性相關的函數。國內外學者常采用的磨損模型有：Finnie 模型，DNV 模型，Oka 模型以及Ahlert 磨損模型。DNV 模型、Oka 模型的模型修正數據均來自氣固兩相流動，與本文的液固兩相流環境不同，其中DNV 模型未考慮不同角度下磨損機制的變化[26]，且Oka 模型參考的基準沖蝕速率為沖擊角度90°時的工況，與離心泵常見的傾斜角度沖擊機制不同[27]，而Ahlert 模型根據經驗和大量試驗數據進行擬合得出，并未從磨損過程中材料去除機制出發[26]。Finnie 模型從材料去除的顆粒位移和切削機制出發，并進行不同角度下磨損機制的區分，特別適用于離心泵等水力機械傾斜沖擊角度下的磨損機制[28]，更符合本文的研究條件。因此，本文采用Finnie 磨損模型研究固液兩相條件下半開式葉輪離心泵過流部件的磨損規律。

Finnie 提出的經典磨損模型如下[29]：

式中E為磨損量無量綱參數；k為獲得無量綱沖蝕因子的常數；Vp為固相顆粒撞擊速度，m/s；n為速度指數，與壁面材料屬性相關，常用金屬材料取值范圍為2.3～2.5；f(θ)是關于顆粒沖擊角的無量綱函數。

其中，θ=18.42°是區分滑動磨損和沖擊磨損的臨界值，θ＜18.42°，主要為滑動磨損，θ＞18.42°，則沖擊磨損占主導地位[30]。

2 計算模型及網格劃分

2.1 模型描述

研究對象為一臺半開式葉輪離心泵，主要設計參數為：流量Qd=47 m3/h，揚程Hd=7 m，轉速n=980 r/min。葉輪主要幾何尺寸為：葉片進口安放角β1=16.6°，葉片出口安放角β2=18.6°，包角Φ=99.4°，葉輪進口直徑D1=100 mm，葉輪出口直徑D2=232 mm。計算域為進口管、葉輪和無葉擴壓器（圖1a）。

圖1 半開式葉輪離心泵計算域和網格Fig.1 Calculation domain and mesh of semi-open centrifugal pump

2.2 網格劃分及無關性驗證

采用ANSYS ICEM 軟件對半開式葉輪離心泵進口管、葉輪和無葉擴壓器模型進行六面體結構化網格劃分。為消除網格數量對計算結果的影響，采用美國機械工程協會（American Society of Mechanical Engineers，ASME）推薦的網格收斂指數GCI 進行網格離散誤差的估計[31-33]，對網格進行無關性驗證。該方法需要設置三套不同數目的網格，分別為粗糙網格、中等網格和細密網格。

本文選擇葉片扭矩和葉輪出口總壓作為關鍵變量，消除變量之間帶來的運算誤差。計算設計工況下GCI 網格離散誤差的估計方法中的各參數，得到葉片扭矩的近似相對誤差（中等-粗糙和細密-中等）分別為2.442%和0.436%；總壓的近似相對誤差分別為2.175%和0.199%；葉片扭矩的外推相對誤差分別為0.512%和0.075%；總壓的外推相對誤差分別為0.213%和0.015%；葉片扭矩的不確定度分別為0.643%和0.093%；總壓的不確定度分別為0.267%和0.019%，3 套網格以漸進形式收斂。綜合考慮計算精度和效率，最終確定選取中等網格，各部分網格數為葉輪5 561 412，進口管427 276，無葉擴壓器976 080，網格數共6 964 768。半開式葉輪離心泵網格如圖1b 所示。

2.3 數學計算方法及邊界條件設置

本文基于SSTk-ω兩方程湍流模型，采用雙向耦合歐拉-拉格朗日方法求解半開式葉輪離心泵內的固液兩相流動，將液相視為連續相，固體顆粒視為離散相。葉輪設置為旋轉域，進口管和無葉擴壓器均設置為固定域，壁面處設置為無滑移壁面；流體介質為水，溫度為25 ℃，密度為997.05 kg/m3；進口處給定總壓，假定顆粒為球形，顆粒密度為2 650 kg/m3，進口處顆粒和流體速度相等，且顆粒在進口面上均勻分布；出口給定質量流量。

2.4 數值模擬的驗證

2.4.1 試驗設備及方法

試驗測量工作在離心泵閉式試驗臺上進行，試驗系統的詳細描述可參考我們的前期工作[34]。轉速通過變頻器進行調節，流量通過在出口管路上安裝的電磁流量計測量，壓力通過在進出口管路上布置的壓力傳感器測量，扭矩通過安裝在泵與電機之間的扭矩轉速儀測量。試驗測量時通過數據采集設備將測量參數（轉速、流量、進口壓力、出口壓力、扭矩）轉換為電流信號，經信號線傳送至數據采集系統，數據采集系統將其轉換為可識別的數字信號，進行數據采集，計算得到離心泵的揚程和效率，對比清水工況下半開式葉輪離心泵的揚程和效率的計算值和試驗值，驗證數值模擬的可靠性。

2.4.2 外特性驗證

為了驗證對半開式葉輪離心泵性能模擬的準確性，對清水工況下離心泵的揚程和效率的模擬和試驗結果進行比較。如圖2 所示，數值模擬結果與試驗值分布一致，揚程最大相對誤差7.52%，最小相對誤差0.96%，平均相對誤差3.77%；效率最大相對誤差7.78%，最小相對誤差5.61%，平均相對誤差6.41%。數值模擬與試驗結果具有相同的規律，相對誤差在可接受范圍內。

圖2 試驗與數值模擬外特性結果對比圖Fig.2 Comparison of the head and efficiency between experimental and numerical results

2.5 試驗設計及方法

根據中國泥沙問題嚴重的河流沿岸水力機械運行規律，平均固相體積濃度超過2%，最大固相體積濃度超過4%，同時參考了國內外眾多學者[9,14,30]在研究不同固相濃度工況下離心泵的內部流場時所選擇的固相濃度范圍（多為1%～10%）。本文選擇在設計轉速980 r/min、設計流量1.0Qd、dp=0.5 mm 顆粒粒徑的條件下，對比分析4種顆粒相體積濃度（Cv=1%、3%、5%、7%）對半開式葉輪離心泵泄漏渦特征和磨損特性的影響。

為了便于分析半開式葉輪離心泵內的固液兩相特性、泄漏渦特性及磨損特性，采用ANSYS 軟件對計算結果進行后處理，得到葉輪內部的的壓力分布、泄漏渦結構、顆粒軌跡、顆粒平均體積分數分布及磨損分布。

采用Omega 準則捕捉閾值R為0.52 時各顆粒體積濃度下的泄漏渦結構，眾多國內外學者證明閾值R為0.52 時具有閾值不敏感特性，并能同時有效識別強、中、弱多種渦結構[35]。為了定量識別渦結構，采用標準螺旋度Hn著色，Hn表示渦矢量與相對速度矢量夾角的余弦值，二者方向相同時Hn為1，正交時為0，相反時為-1[34]。為了能深入理解泄漏渦的運動機理，采用渦量輸運方程對葉頂間隙區域的泄漏渦結構進行更詳細的分析，渦量輸運方程如下[36-38]：

式中 Ω為渦矢量；W為相對速度矢量；ω為旋轉角速度，rad/s；ν為流體運動黏度，Pa·s。方程左邊表示渦量的變化速率，右邊第一項為相對渦量拉伸項（Relative vortex stretching，RVS），由相對速度梯度引起渦的拉伸和彎曲；第二項為渦膨脹項，反映流體可壓縮性引起的渦量變化情況；第三項為科氏力項（Coriolis force，CORF），與旋轉運動有關；第四項為斜壓扭矩項，表示壓力梯度與密度梯度對渦量的影響；最后一項黏性擴散項（Viscos diffusion，VISD）主要是由于流體的黏性引起的。對于不可壓縮流體，忽略第二項和第四項。由于葉頂間隙的存在，葉輪內部尤其是靠近葉頂區域的不穩定流動復雜，已有工作對葉輪進出口環量進行了分析[2]，發現葉頂間隙對葉輪的影響主要體現在靠近葉頂側，因此選取0.93 葉高（Span=0.93）（圖3）對清水和固液兩相工況的流場和渦系特征（RVS、CORF 和VISD）的分布規律進行分析。

圖3 葉高（Span）示意圖Fig.3 Diagram of the blade height (Span)

3 結果與討論

3.1 半開式葉輪離心泵固液兩相流動特性

3.1.1 顆粒體積濃度對泵性能的影響

由圖4 可知，由于固體顆粒密度遠大于液體的密度，加入較小體積濃度的顆粒時，固液混合介質的密度增加，泵的有效功率增加，同時顆粒的存在抑制了邊界的流動分離，減少了渦流脫落造成的損失，因此泵的揚程和效率相比于清水工況均增大。隨著顆粒體積濃度的增大，顆粒之間相互干擾，發生更多的碰撞和摩擦，流體輸送顆粒所需的能耗增加，因此泵的揚程和效率明顯下降。

圖4 不同顆粒體積濃度外特性變化曲線Fig.4 Head and efficiency curve with different particle volume concentration

3.1.2 葉輪內部流場特性

圖5 為設計流量下0.93 葉高截面的壓力分布圖。由于葉片對吸入介質做功，流場壓力沿著葉輪進口向出口方向逐漸增大。清水工況下，由于葉頂間隙的存在，相對液流角的增大造成葉輪進口形成較大的負沖角，結合葉片壓力面與吸力面的壓差，二者共同驅動形成泄漏流，導致葉片吸力面進水邊出現面積較大的低壓區。相比于清水工況，顆粒的堆積導致葉輪流道內的壓力值普遍升高，最大壓力上升4%。部分顆粒在葉輪進口處因流道變化和葉輪旋轉的離心力，運動方向由軸向變為徑向，與葉片前緣發生碰撞，抑制了邊界層的不穩定流動，低壓區面積減小，但顆粒碰撞后速度減小，流場內部分壓能又轉化為驅動顆粒繼續運動的動能，產生低壓，因此低壓區面積僅輕微減小。

圖5 不同顆粒體積濃度（Cv）0.93 葉高截面壓力分布圖Fig.5 Pressure distribution of 0.93 span with different particle volume concentration (Cv)

3.2 顆粒相體積濃度對泄漏渦特性的影響

3.2.1 泄漏渦結構特征

各顆粒體積濃度下的泄漏渦結構如圖6 所示。顆粒體積濃度為1%時，少量顆粒的加入對泵內渦流結構的影響較弱，流道中泄漏渦、分離渦和通道渦與清水工況相似。隨著顆粒體積濃度的增加，在曳力、離心力和慣性力的耦合作用下，顆粒對流體的撞擊頻率和跟隨流體流入葉頂間隙的顆粒數量增加，流動的不均勻性增強，渦流的破碎程度逐漸加劇，破碎分離的渦流間通過周向運動進行融合。同時，流體旋轉消耗的能量增大，抑制了泄漏渦、葉頂分離渦、通道渦的發展，其中二次泄漏渦與主流卷吸形成的二次泄漏流強度明顯減弱。

3.2.2 泄漏渦系特征

圖7 為葉頂間隙層的相對渦量拉伸項（RVS）分布，隨著顆粒相體積濃度的增加，顆粒對葉片前緣的碰撞更加頻繁，驅動葉片前緣的流動分離，因此葉片前緣的高RVS 區逐漸增大。顆粒相體積濃度的改變對高RVS 區域在葉片吸力面側的帶狀分布趨勢影響較小，但顆粒的沖擊導致吸力面側破碎分離出更多的漩渦。

科氏力項（CORF）分布如圖8 所示，葉輪的旋轉產生科氏力并導致在葉片壓力面和吸力面形成壓力梯度，泄漏流受到壓力梯度的驅動而形成。當顆粒相體積濃度為1%時，固液兩相工況下的CORF 分布與清水工況相似，說明較小顆粒濃度對葉輪旋轉產生的壓力梯度影響作用較小。隨著顆粒相體積濃度的增大，葉片前緣受顆粒撞擊脫落的渦旋強度增加，葉片吸力面側的高CORF分布區波動均增大，面積減小，反映出流場不穩定性增強。當顆粒相體積濃度增至7%時，區域A 中吸力面中部的高CORF 區明顯波動、分裂，這是由于顆粒的不斷累積，在這一區域的流體驅動其偏轉跟隨運動消耗的能量增多，造成渦量出現一定程度的減少。

圖8 不同顆粒體積濃度科氏力項分布Fig.8 Distribution of Coriolis force item with different particle volume concentration

黏性擴散項（VISD）分布如圖9 所示，在葉頂間隙層，葉片壓力面與吸力面的壓差形成微射流，微射流的運動方向與葉片旋轉方向相反，因此與主流和固定的前蓋板形成相對運動，導致在壁面處產生渦量。隨著顆粒體積濃度的增加，固液兩相介質粘性作用的變化及顆粒的運動影響渦流向流體內部的擴散，渦旋難以穩定發展，因此高VISD 區的波動更加明顯，同時伴隨著劇烈的渦旋分離、融合。

圖9 不同顆粒體積濃度黏性擴散項分布Fig.9 Distribution of viscos diffusion item with different particle volume concentration

3.3 顆粒相體積濃度對磨損特性的影響

不同顆粒體積濃度下顆粒速度及軌跡如圖10 所示。當Cv＜3%時，僅少量顆粒跟隨流體進入葉頂間隙，受到葉頂泄漏渦的阻礙及壓力梯度的作用，顆粒穿過葉頂間隙進入吸力面側后跟隨泄漏流運動發生偏轉，運動方向由周向變為徑向，并與葉片吸力面靠近葉頂處在出水邊發生撞擊；當Cv＞3%時，隨著顆粒體積濃度的增加，流入葉頂間隙的顆粒數量增多，運動至葉片吸力面出水邊靠近葉頂處堆積的顆粒增多。

圖10 不同顆粒體積濃度下顆粒速度和軌跡Fig.10 Particle velocity and trajectories with different particle volume concentration

同時，顆粒體積濃度越大，顆粒間的排擠導致顆粒逐漸占據整個流道，在葉片吸力面出水邊靠近葉根處堆積的顆粒數量增多，且明顯多于在葉頂附近聚集的顆粒，說明大部分顆粒在流道中運動時靠近后蓋板，葉頂間隙泄漏渦擴散到葉根處時對顆粒的運動已無明顯影響。

不同顆粒體積濃度下葉片表面及后蓋板的平均顆粒體積分數分布情況如圖11 所示。當顆粒體積濃度增大，同等粒徑下顆粒數量增多，由于顆粒本身粒徑較大，則質量和慣性力較大。

在進入葉輪后顆粒保持原有的軸向運動趨勢的能力較強，容易較早的偏轉對后蓋板進行沖擊。同時，壓力梯度力和曳力的耦合作用限制了顆粒跟隨流線移動，驅使其產生明顯的向葉片壓力面側運動的趨勢，因此隨著顆粒體積濃度增大，聚集在后蓋板和葉片壓力面側進水邊顆粒明顯增多，且分布在后蓋板的顆粒多于葉片。

圖12 所示，隨著顆粒相體積濃度的增大，固相顆粒與過流部件的接觸和碰撞幾率增加，過流部件的磨損情況逐漸加重。顆粒在流道中運動時，徑向的慣性力不能抵消葉輪旋轉的離心力，導致后蓋板磨損嚴重區域發生在曲率最大處及葉片曲率最大處的交界處。粒徑0.5 mm的顆粒屬于粒徑較大顆粒，自身質量大，慣性大，流體對顆粒的裹挾能力差，因此葉片壓力面側磨損區域主要集中于進水邊至中部。

圖12 不同顆粒體積濃度下磨損分布Fig.12 Erosion distribution with different particle volume concentration

當Cv＜3%時，受到葉輪旋轉的離心力和葉頂間隙泄漏渦的曳力共同作用，顆粒轉變為軸向運動進入流道并易在葉片前緣靠近葉根處與壁面發生撞擊，誘發嚴重磨損；同時，顆粒通過葉頂間隙層的流道時受泄漏流的阻礙會迅速轉向，繞過低速區偏向葉片吸力面側運動，導致顆粒易在吸力面側出水邊與葉片發生撞擊，撞擊角較大，因此吸力面出水邊靠近葉頂的區域磨損嚴重且呈現點狀磨損。

當Cv＞3%時，顆粒相體積濃度增大，流入葉頂間隙的顆粒增多，吸力面出水邊靠近葉頂的點狀磨損加??；流道內顆粒之間的排擠嚴重，部分顆粒偏離原有的運行軌跡，跟隨流體偏向吸力面側運動，對吸力面側進行沖擊，撞擊角較小，因此吸力面側出水邊靠近后蓋板的位置也出現嚴重磨損，磨損區域呈現線狀磨損且向葉片進水邊方向延伸。由圖13 可知，顆粒相體積濃度的增大，葉片表面及后蓋板磨損率均逐漸增大，但后蓋板磨損率增速更快，當顆粒相體積濃度大于3%時，后蓋板平均磨損率超過葉片平均磨損率。

4 結論

本文對半開式葉輪離心泵輸送含沙水進行數值計算，分析了不同顆粒體積濃度條件下模型泵內泄漏渦特性和過流表面磨損特性的關聯性，主要結論如下：

1）設計流量工況下，半開式葉輪離心泵內壓力由葉輪進口向出口方向逐漸增大，相比于清水工況，固體顆粒的堆積造成流道內壓力普遍升高，同時抑制了葉片邊界層部分不穩定流動，葉片前半部分低壓區面積減小。

2）少量的顆?？梢砸种七吔绲牧鲃臃蛛x，有利于泵的性能提升；當顆粒相體積濃度大于1%，顆粒的堆積和頻繁碰撞增加了泵的水力損失，泵的揚程和效率明顯下降。

3）顆粒相體積濃度為1%時，固液兩相工況下葉頂間隙泄漏渦、分離渦、通道渦結構與清水工況條件下相似；顆粒相體積濃度由3%增至7%時會造成泄漏流的破碎、分離、再融合，加劇流動的不穩定性。

4）受到泄漏渦的阻礙，流入葉頂間隙的顆粒易繞過流道低速區偏向葉片吸力面運動，因此磨損嚴重區域主要分布于葉片前緣、葉片吸力面出水邊、葉片壓力面進水邊及葉輪后蓋板；體積濃度的增大會加劇葉輪整體磨損，顆粒具有明顯向后蓋板和葉片壓力面的運動趨勢，后蓋板的平均磨損率上升速度更快。