多級離心泵內(nèi)部流動(dòng)分析及性能預(yù)測

聶小林

摘 要

基于多重參考系（ MRF） 模型及Realizable k-ε湍流模型，對多級離心泵整機(jī)內(nèi)部的湍流流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同流量工況下的流場分布規(guī)律，揭示了離心泵內(nèi)漩渦等不良流動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)生的位置及原因，并對其外特性進(jìn)行了預(yù)測。結(jié)果表明：由于蝸舌的影響，各流量工況下多級泵內(nèi)部各級葉輪速度與靜壓、總壓分布均呈現(xiàn)非對稱性;流體流經(jīng)葉輪其總壓逐漸增加，流經(jīng)蝸室逐漸降低;在首級葉輪入口吸力面處壓力最低，故最易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象;隨著流量增加，多級泵的揚(yáng)程逐漸降低，流道內(nèi)產(chǎn)生的漩渦逐漸減小。預(yù)測的性能曲線與實(shí)驗(yàn)的性能曲線較為吻合。

關(guān)鍵詞

多級泵;內(nèi)部流動(dòng);數(shù)值模擬;性能曲線

中圖分類號： TH311 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.032

0 前言

多級離心泵具有揚(yáng)程高、運(yùn)行安全平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)[1]，在農(nóng)業(yè)、電力、城市供水、石油化工等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，采用CFD方法研究其內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律并預(yù)測外特性，具有節(jié)約時(shí)間、降低成本、利于分析等優(yōu)點(diǎn)。

目前的多級離心泵，其各級葉輪和蝸室采用相同結(jié)構(gòu)或相似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對多級泵的研究主要針對某一級葉輪或某一工況，對各流量工況下各級葉輪的系統(tǒng)性研究較少。本文以首級雙吸葉輪，二、三級 “背靠背”葉輪布置的多級離心泵為研究對象，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，通過實(shí)驗(yàn)對葉輪和各級蝸殼內(nèi)的壓力、速度分布進(jìn)行測量較為困難，因此本文采用FLUENT軟件對多級泵內(nèi)部流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析了泵內(nèi)部速度、壓力等流動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律，預(yù)測了流量-揚(yáng)程、流量-軸功率和流量-效率性能曲線，并與實(shí)驗(yàn)所得的性能曲線進(jìn)行了對比分析。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

利用三維造型軟件Pro/E對多級離心泵進(jìn)行幾何三維造型，采用Gambit軟件進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。計(jì)算用泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 多級泵主要設(shè)計(jì)和幾何參數(shù)

1.2 求解器及方程離散格式的選取

選取realizable k-ε湍流模型，采用壓力耦合方程組的半隱式（SIMPLE）算法求解離散方程，動(dòng)量方程、湍動(dòng)能與耗散率輸運(yùn)方程的離散均采用一階迎風(fēng)格式。在迭代計(jì)算的過程中，通過監(jiān)測泵進(jìn)口和出口單位面積平均總壓的穩(wěn)定程度輔助判斷計(jì)算是否收斂。將葉輪區(qū)域設(shè)為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，其他區(qū)域設(shè)為固定坐標(biāo)系。把多級泵內(nèi)流場簡化為葉輪在某一位置的瞬時(shí)流場，將非定常問題用定常方法計(jì)算。

2 計(jì)算結(jié)果和分析

2.1 多級泵XY剖面總壓分布

經(jīng)過計(jì)算在450m3/h工況下多級泵XY剖面總壓分布，各流量工況下總壓都是沿著葉輪徑向逐漸增加，經(jīng)過蝸殼時(shí)由于流動(dòng)損失會(huì)稍有降低，其變化趨勢一致;同時(shí)各流量工況下泵出口處的總壓有較為明顯的區(qū)別：由于各工況下入口總壓近似相同，當(dāng)流量點(diǎn)較低時(shí)其出口總壓較高，故其對應(yīng)的揚(yáng)程會(huì)較大，對照不同流量點(diǎn)的揚(yáng)程也發(fā)現(xiàn)與此分析相吻合。

2.2 多級泵首級葉輪剖面相對速度和總壓分布圖

從圖1中可以看出，由于小流量工況和蝸舌的影響，蝸舌附近流體有漩渦產(chǎn)生，且隨著流量的不斷增大，流體的擠壓充塞作用越明顯，漩渦的產(chǎn)生得到了抑制，其大小逐漸減小。同時(shí)隨著流量的逐漸增大，葉輪內(nèi)流線分布逐漸均勻，說明流動(dòng)較穩(wěn)定。而且較低流量工況下，葉片吸力面附近存在著較為明顯的流動(dòng)分離現(xiàn)象，隨著流量的逐漸增加，流動(dòng)分離現(xiàn)象得到了改善。

從圖2中可以看出，葉輪入口處總壓最低，且總壓沿著葉輪徑向逐漸增加，在葉輪出口處總壓最高，經(jīng)過蝸殼時(shí)由于沿程水力損失、漩渦和撞擊等引起的損失影響，總壓會(huì)稍有降低。同時(shí)由于蝸舌的影響，蝸舌附近葉輪出口處總壓最高且與其他流道內(nèi)對比分布不均勻。葉輪入口處和葉片吸力面進(jìn)口稍后處壓力最低，最易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，且葉輪內(nèi)徑向距離相同的位置壓力面?zhèn)瓤倝焊哂谖γ鎮(zhèn)瓤倝海嗜~輪流道內(nèi)壓力面和吸力面間也容易產(chǎn)生渦流。對比不同流量點(diǎn)下葉輪內(nèi)部的總壓，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流量較小時(shí)對應(yīng)位置處的總壓較高，隨著流量的增大，葉輪流道內(nèi)的壓力分布逐漸改善，變得相對均勻;小流量工況下蝸舌附近的總壓分布梯度變化較大。

2.3 多級泵次級葉輪剖面速度

隨著二級葉輪對流體的做功，二級葉輪內(nèi)的流體總壓高于首級葉輪內(nèi)流體總壓，同時(shí)由于蝸殼內(nèi)的沿程阻力、流體沖擊等水力損失導(dǎo)致總壓逐漸降低，下一級葉輪入口總壓略低于上一級葉輪出口總壓。速度相較于首級葉輪沒有明顯升高，當(dāng)上級葉輪排出的流體經(jīng)過壓水室時(shí)，壓水室起到了降低流體速度的作用，使其動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，同時(shí)消除流體的部分旋轉(zhuǎn)分量使流體以要求的速度和環(huán)量進(jìn)入下一級葉輪。

3 多級泵的水力性能預(yù)測和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的有效性，將計(jì)算獲得的多級泵性能結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行了對比分析。多級泵的性能測試在本公司的性能測試平臺上完成。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，揚(yáng)程的模擬值和實(shí)驗(yàn)值其結(jié)果分別為557.82m和575m，相對誤差為3.9%，而在工況點(diǎn)和大流量下數(shù)值模擬值與實(shí)驗(yàn)值吻合得較好，誤差較小?？傮w來看，泵的揚(yáng)程和效率，數(shù)值模擬計(jì)算的性能曲線能夠比較準(zhǔn)確地反映出多級泵實(shí)際性能隨流量的變化趨勢，說明采用CFD技術(shù)對多級泵進(jìn)行數(shù)值模擬并預(yù)測其外特性是可行的。

4 結(jié)論

利用FLUENT 軟件，利用多重參考坐標(biāo)系和realizable k-ε模型對首級雙吸式多級離心泵的內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了多級泵內(nèi)部流場的速度和壓力分布規(guī)律。

（1）由于蝸舌的影響，各級葉輪速度與靜壓、總壓分布均呈現(xiàn)非對稱性;在首級葉輪入口和葉片背面（吸力面）進(jìn)口稍后處壓力最低，最易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

（2）小流量工況下葉輪內(nèi)容易產(chǎn)生漩渦，隨著流量的逐漸增加，葉輪和蝸殼內(nèi)漩渦的產(chǎn)生都得到了抑制，且流動(dòng)逐漸穩(wěn)定均勻，流動(dòng)分離現(xiàn)象得到改善。

（3）數(shù)值模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)所得到的性能曲線隨流量變化的趨勢一致，采用CFD技術(shù)預(yù)測多級泵的性能是可行的。

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