離心泵內變工況流動特性的數值研究

田輝，房媛，王文成，鄒克武

(1．承德石油高等專科學校機械工程系，河北承德067000; 2．承德石油高等專科學校學生處，河北承德067000)

離心泵內變工況流動特性的數值研究

田輝1，房媛2，王文成1，鄒克武1

(1．承德石油高等專科學校機械工程系，河北承德067000; 2．承德石油高等專科學校學生處，河北承德067000)

通過Fluent軟件對某單級單吸渦殼離心泵內流動進行了變工況定常數值模擬，數值模擬值與實驗值吻合良好。在此基礎上分析流道內相對速度分布及總壓分布情況。并探討了軸向渦隨流量的變化特征及葉輪與渦舌相對位置變化對流動的影響。數值模擬結果顯示，隨著流量的增加流道出口相對速度增加，總壓降低，流道內軸向渦有所減小。靠近渦舌流道的流量較大，而遠離渦舌的則較小。這種流動狀態沿葉輪周向分布不均勻現象是普遍存在的，且在非設計工況下表現得更明顯。

變工況;數值模擬;渦舌;Fluent

一般認為離心泵內部的流動是一種全三維的湍流流動。由于葉輪旋轉、葉輪自身曲率的劇烈變化及液體的粘性綜合作用，泵內流場普遍存在流動分離、二次流現象［1］;加之渦殼幾何的不對稱性及葉輪與渦殼的動靜干涉作用使得葉輪出口呈現“射流/尾跡”結構，流場速度，壓力脈動明顯，流動表現出明顯的非定常特性［2］。然而在實際應用中離心泵經常被迫工作在非設計工況狀態下，泵內流動進一步惡化，流動分離、脈動加劇。這樣不但會引起效率下降，還將導致震動和噪聲，嚴重影響系統的使用壽命［3-6］。目前理論分析和試驗測量還很難得到泵內具體的流動細節，通過數值模擬的方法來研究變工況下離心泵內的流動特性就顯得尤為重要了。本文應用Fluent軟件對離心泵進行了變工況定常數值模擬，通過對0．80QD、QD(設計流量)、1．20QD等三個不同工況數值模擬結果的分析得出離心泵內不同工況下流動的一般規律。

1　離心泵的幾何結構及運行參數

本文采用某單級單吸渦殼離心泵作為計算模型，其主要的結構及運行參數如圖1所示。葉輪由7片后彎葉輪組成，葉片出口安放角為26°，吸入口直徑140 mm，設計流量為59 kg/s。

2　數值計算方法

2．1控制方程及湍流模型

離心泵內的液體的流動屬于三維粘性不可壓縮流動，任意曲線坐標系下Navier-Stokes方程可簡化為:

式中:ui為泵內流動速度、p為靜壓、ν為流體動力粘性系數、ρ為流體密度反應哥氏力及離心力的影響。引入雷諾平均，Boussinesq假設，標準k－ε湍流模型后，控制方程轉化為:

2．2計算網格

針對扭曲型葉片曲率變化大的特點，采用三角形網格對葉輪表面進行了局部加密，使得網格貼體性更好;計算區域內部采用四面體網格。計算區域由入口延伸段、葉輪、渦殼三部分組成，網格數分別為24 408、280 932、168 345。圖2為計算區域網格示意圖。

2．3計算設置

泵的入口給定質量流量，方向垂直于入口截面。入口延伸段的設置使入口條件均勻傳遞到泵流場內部，有利于加速收斂。出口給定靜壓。固體壁面采用無滑移邊界條件。計算過程采用多重參考坐標系(Multiple Reference Frame)技術分別處理旋轉的葉輪部分及靜止的入口延伸段和渦殼部分數據交換。SIMPLEC算法求解流場。

3　計算結果及分析

數值模擬結果顯示模擬值與實驗值趨勢吻合良好，效率的最大偏差小于3%，揚程最大偏差小于3．5 m，詳細對比參見參考文獻［5］，從而可以驗證本文所采用數值方法的正確性。

3．1流道內相對速度分布特性

圖3給出了三個不同工況下離心泵中葉展處相對速度的分布及流線分布情況。圖中可見葉輪流道內相對速度總體上呈現出由壓力面向吸力面逐漸增大的趨勢，但不同流道內相對速度分布差異明顯。靠近蝸殼出口的流道壓力面附近的低速區較小。

圖4給出了三個不同工況下流道(以圖1所示流道6為例)內相對速度等值線圖。由圖4可見三個工況流道內的流動趨勢極其相似。葉輪的排擠作用均勻的施加在靠近壓力面的液體上，流道內相對速度呈現出由壓力面向吸力面逐漸增加的趨勢。在入口附近由于葉片的排擠作用對液體影響較小，相對速度自流道中線區域向壓力面吸力面逐漸減小。在0．8 QD和QD工況葉片壓力面側有較明顯的軸向渦存在，但隨著流量的增加軸向渦有減小的趨勢。在1．2 QD時軸向渦已經不明顯了。圖中還可以看出隨著流量的增加，葉輪出口相對速度也有所增加。

3．2流道內總壓分布特性

圖5所示為流道6(以圖1所示流道6為例)壓力分布等值線圖。計算過程取葉輪入口處為參考壓力點，參考壓力設為101 325 Pa。流道內總壓從入口到出口逐漸增大，在壓力面尾緣達到最大值，隨著流量的增加出口總壓逐漸減小。小流量的工況下，由于軸向渦在吸力面側的流速與主流速度方向相同對吸力面側液體起一定的加速作用，所以導致流道內同半徑處吸力面側總壓略高的現象。隨著流量的增加這種流道內同半徑處總壓分步不均勻現象逐漸減小。前面已經討論過，隨著流量的增加軸向渦有逐漸減小的趨勢，圖中設計流量和大流量流道內由入口向出口隨著半徑的增大吸力面側、壓力面側總壓均勻增加，亦證實了流量的增加有減小軸向渦的作用。

4　結論

本文采用Fluent商用軟件對某單級單吸渦殼離心泵進行了變工況數值模擬，發現:1)隨著流量的增加流道出口相對速度增加，總壓減小，流道內軸向渦減小;2)流道入口附近液體相對速度最大值出現在中線區域，流道內相對速度從壓力面到吸力面逐漸增大;3)沿葉輪旋轉方向越靠近渦舌的流道其流量越高，越遠離渦舌的葉片其載荷越大。

［1］Hong Wang Hiroshi Tsukamoto，Experimental and Numerical Study of Unsteady Flow in a Diffuser Pump at Off-Design Conditions［J］．ASME J．of Fluids Engineering，2003，125:767－778．

［2］Dong RR．The Effect of Volute Geometry on the Flow Structure，Pressure Fluctuation and Noise in a Centrifugal Pump［M］．The Johns Hopkins University，1994．

［3］Pedersen N，L arsen P S．Flow in a Centrifugal Pump Impeller at Design and Off-Design Conditions—PartⅠ:Particle Image Velocimetry(PIV)and Laser Doppler Velocimetry(LDV)Measurements［J］．ASME J．of Fluids Engineering，2003，125:61－72．

［4］Byskov RK，Jacobsen CB．Flow in a Centrifugal Pump Impeller at Design and Off-Design conditions—partⅡ:Large Eddy Simulations［J］．ASME J．of Fluids Engineering．2003，125:73－83．

［5］田輝．離心泵內部數值計算及葉片型線優化設計［D］．西安:西安交通大學學位論文，2008．

［6］王玉召．申林艷．離心式風機變速運行性能數學模型［J］．承德石油高等專科學校學報，2013，15(4):30－33．

Numerical Simulation of Non-Uniform Flow in Centrifugal Pump at Design and Off-Design Conditions

TIAN Hui1，FANG Yuan2，WANG Wen-cheng1，ZOU Ke-wu1
(1．Department of Mechanical Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China; 2．Department of Student Affairs，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

This paper shows the capability of a numerical simulation with the commercial software FLUENT in capturing the characteristics in a Centrifugal Pump at both design and off-design conditions．The numerical results are compared with the experimental results and show a good agreement．Based on the correct numerical results，detailed analysis was applied to the distribution of relative velocity and total pressure in one of the centrifugal impeller channels．Furthermore，with the increasing of relative velocity，the total pressure and axial vortex of a channel near the vortex tongue is much bigger than the others．And the non-uniform distribution of flow characteristics along the circumferential direction is common in the off-design conditions．

design and off-design conditions;numerical simulation;tongue;Fluent

TH311

A

1008-9446(2015)02-0028-04

2014-12-12

田輝(1981－)，男，河北承德人，承德石油高等專科學校機械工程系教師，博士，主要從事葉輪機械內部流場數值分析及氣液兩相流數值方法研究。