基于CFX的離心泵壓力脈動數值模擬

周元欣 林寶輝 楊 威 宮 敬 王 瑋

(1. 中國石油天然氣管道工程有限公司；2. 油氣管道輸送安全國家工程實驗室)

基于CFX的離心泵壓力脈動數值模擬

周元欣*1林寶輝1楊 威1宮 敬2王 瑋2

(1. 中國石油天然氣管道工程有限公司；2. 油氣管道輸送安全國家工程實驗室)

為了研究離心泵內部流場的壓力脈動，運用CFX軟件對離心泵進行了仿真模擬，分析了轉速和流量波動對壓力脈動的影響。計算結果表明：壓力脈動可以通過流體向下游傳播，壓力脈動的主要頻率與葉頻相等；偏離設計工況時，壓力脈動加劇；相同轉速下，壓力脈動的主要激發頻率與流量波動無關，但壓力脈動的強度與流量大小相關，流量越大，壓力脈動的幅值越大。

離心泵 壓力脈動 CFX

離心泵是一種在石油化工領域廣泛應用的流體機械[1]。離心泵結構復雜，容易受工作介質流動的影響，在其運行過程中常伴隨有振動和噪聲[2]。對離心泵振動和噪聲的研究，可以防范離心泵振動引起的機械結構疲勞，有利于離心泵的設計改進[3]。

計算流體動力學(CFD)作為一種數值計算方法，在離心泵、壓縮機及風機等流體機械的模擬仿真中應用越來越廣泛。借助CFD技術，設計人員可以得到流體機械內任意位置的流動細節，如速度、壓力、漩渦、壓力脈動及能量損失等，從而進行流體機械的優化設計[4]。

筆者應用CFX軟件，在多種流量工況下，研究了離心泵蝸殼出口的壓力脈動情況，以揭示壓力脈動和泵性能之間的關系，為解決泵振動和噪聲問題提供了依據。

1 數值求解

1.1物理模型

本研究中采用的離心泵為單極單吸口的低比轉數離心泵[5]，三維模型如圖1所示，該離心泵模擬介質為常溫的水。三維模型的主要設計參數如下：

流量Q300m3/h

揚程H100m

轉速n1 450r/min

比轉數ns48

葉輪進口直徑Dj175mm

葉輪輪轂直徑Dh45mm

葉輪出口直徑D2547mm

葉片出口寬度B217mm

圖1 離心泵三維模型

1.2網格劃分

離心泵模型采用ICEM CFD對流體計算域進行網格劃分，網格類型為非結構化網格。為了使進入和排出離心泵的流體充分發展，在葉輪的進口端和蝸殼出口端增加了部分管段。

1.3求解條件設置

采用雷諾平均動量方程描述不可壓縮流動，使用標準k-ω模型的改進型BSL雙方程湍流模型和連續性方程使得動量方程封閉。在研究離心泵葉輪和蝸殼中流體計算域時，由于葉輪和蝸殼分別屬于轉動部件和靜止部件，因此在離心泵的流場模擬中采用多參考坐標系模型(MRF)，葉輪流道區域取旋轉坐標系，蝸殼流道區取靜止坐標系。在離心泵的穩態流場模擬中動靜交界面采用凍結轉子法，瞬態流場模擬中動靜交界面采用滑移網格法。

在離心泵內部流場模擬中，離心泵的入口采用定壓力的邊界條件，出口采用定流量的邊界條件，各壁面邊界條件均采用無滑移邊界條件，對近壁面區域非充分發展的湍流流動采用標準壁面函數進行處理。

2 模擬結果與分析

圖2顯示了在設計工況點(n=1450r/min、Q=300m3/h)時，離心泵內部流場在中間截面上的壓力分布計算結果，圖3顯示了離心泵葉輪內部葉片上的壓力分布結果。由圖2可以看出，泵內部流場的壓力從吸入口到排出口逐漸上升，泵吸入口和排出口的流速都不是很大，流體進入葉輪后，葉輪將旋轉的動能傳遞給流體，蝸殼又將流體的大部分動能轉化為壓能。從圖3可以看出，相同半徑的情況下，葉片工作面的壓力大于葉片背面的壓力。在葉片背面的吸入口區域，壓力最小，該區域是離心泵最容易發生氣蝕的地方。

圖2 離心泵中間截面上的壓力云圖

圖3 離心泵葉片上的壓力云圖

2.1泵性能預測

在設計工況下，該離心泵模型流場模擬的一些關鍵參數如下：

入口壓力ps405kPa

出口壓力pd1 280kPa

揚程H93.41m

泵效率η0.57

與設計參數相比，該模型泵的模擬結果在設計工況下其揚程比設計參數小了6.59%，原因可能在于該離心泵模型在蝸殼隔舌部位進行了一定的簡化。另外，在葉輪和蝸殼結合部分，也進行了適當的簡化：葉輪出口端向外側延伸，蝸殼基圓向內側延伸，兩者的交界面為動靜結合面。其次，模型未考慮流體與葉輪蓋板間的摩擦損失，蝸殼的水力損失和容積損失。

固定泵轉速，通過對不同流量下離心泵內部流場的穩態模擬，可以得到該離心泵模型在設計工況下的揚程-流量(H-Q)性能預測曲線(圖4)。

圖4 離心泵模型設計工況下的H-Q曲線

2.2壓力脈動

由于離心泵的旋轉部件和靜止部件的動靜干擾作用，離心泵內部的流場會呈現非定常的擾動流動特征。這種擾動流動會造成流場的壓力脈動，流體會將壓力脈動傳遞給葉輪和蝸殼，引發離心泵的振動和噪聲。在本研究中，只考慮流體的單向壓力脈動，不考慮流體和離心泵部件之間的雙向耦合作用。

為了研究壓力脈動的影響，對離心泵模型進行了瞬態模擬，并對泵出口的截面上的壓力脈動進行監測。如圖5所示，在設計工況條件下，離心泵出口截面上壓力呈現隨時間變化的曲線，曲線穩定后呈現明顯的周期性變化的趨勢。在0.04s之前，泵出口的壓力有一段波動上升的階段，這是由瞬態模擬的過程中的初始條件設置所導致的，0.04s之前泵內流場沒有達到一個相對穩定的狀態。

圖5 設計工況下泵出口壓力脈動時域圖

為了更加方便地對離心泵出口截面壓力變化的頻率進行分析，將圖5中的壓力脈動時域圖信號經過快速傅里葉變換(FFT)后，壓力脈動時域信號就變換到頻域信號(圖6)。頻域信號中尖峰所對應的頻率是壓力脈動的頻率。

圖6 設計條件下泵出口壓力脈動頻域圖

在不改變現有離心泵的類型和數量的前提下，離心泵運行過程中經常采用提高轉速的方法來增加輸量。所以在本研究中，對1倍轉速(n)和2倍轉速(2n)工況下的離心泵的運行情況進行了模擬研究，考慮了轉速和流量波動對泵出口壓力脈動的影響。

離心泵運行時，經過離心泵的液流流量處于一個小幅波動的狀態，小幅波動的流量會惡化隔舌部位的壓力波動狀況。分別對n-Q、n-1.2Q、n-1.4Q和2n-2Q、2n-1.2×2Q工況條件下的離心泵內部流動進行了模擬，并對這些不同工況條件下的模擬結果進行了對比。泵出口截面上的壓力脈動時域圖和頻域圖如圖7、8所示。

a. 轉速為n時

b. 轉速為2n時

a. 轉速為n時

b. 轉速為2n時

不同工況下，離心泵出口端壓力脈動的模擬計算的數值結果見表1。表中Δp為壓力脈動幅值，Δp=(pmax-pmin)/2。

表1 不同工況條件下泵出口壓力脈動的比較

離心泵的壓力脈動頻率理論計算式為[6，7]：

式中i——諧波次數，i=1，2，3，…；

n——離心泵的轉速，r/min；

Z——離心泵的葉片數。

根據理論計算式，壓力脈動頻率理論值見表2。

表2 離心泵壓力脈動頻率

通過對比表1、2可知：在離心泵數值模擬的結果中，泵出口壓力脈動的主要頻率和離心泵壓力脈動頻率理論值一致。由于葉輪轉動時，軸對稱的葉輪出口和非軸對稱的蝸殼間存在周期性的相對運動，葉輪出口處的流體流動受到蝸殼內流體流動的強烈干擾，特別是隔舌位置處的干擾作用更明顯，這種干擾作用必將產生壓力脈動。泵出口端的壓力脈動主要頻率與葉頻相等，反映了壓力脈動可以通過流體向下游進行傳播。而壓力脈動的幅值與葉輪的葉片數、葉輪與蝸殼的間隙及葉片形狀等直接相關[8]。

通過模擬發現，在無流量波動的情況下，轉速2n時泵出口的壓力脈動幅值比轉速n時的要大出一個數量級，如圖9和表1所示。原因在于：離心泵在偏離設計工況時，葉輪與蝸殼之間的動靜干涉作用增強，隔舌部位的漩渦加強，激發的流動波動性加劇，導致壓力脈動加強。另外，從模擬結果可以看出，相同轉速下，壓力脈動的主要激發頻率與流量波動無關，但是壓力脈動的強度與流量大小相關。流量越大，壓力脈動的幅值越大。

圖9 不同工況條件下泵出口截面壓力脈動時域圖

3 結論

3.1離心泵內部流場的壓力從吸入口到排出口逐漸上升；相同半徑的情況下，葉片工作面的壓力大于葉片背面的壓力；在葉片背面的吸入口區域，壓力最小，最容易發生氣蝕。

3.2壓力脈動可以通過流體向下游進行傳播，離心泵壓力脈動的主要頻率與葉頻相等。

3.3離心泵在偏離設計工況時，葉輪與蝸殼之間的動靜干涉作用增強，導致壓力脈動加強。

3.4相同轉速下，壓力脈動的主要激發頻率與流量波動無關，但是壓力脈動的強度與流量大小相關。流量越大，壓力脈動的幅值越大。

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NumericalSimulationofPressurePulsationinCentrifugalPumpBasedonCFX

ZHOU Yuan-xin1, LIN Bao-hui1, YANG Wei1, GONG Jing2, WANG Wei2

(1.ChinaPetroleumPipelineEngineeringCorporation,Langfang065000,China;2.NationalEngineeringLaboratoryforPipelineSafety,Beijing102249,China)

For purpose of investigating into pressure pulsation of flow field in the centrifugal pump, making use of CFX software to simulate centrifugal pump and to analyze the effect of both rotational speed and flow fluctuation on the pressure pulsation was implemented. The results show that the pressure pulsation can be transmitted downstream through the flowing stream, and the main frequency of pressure pulsation equals to blade frequency; and the centrifugal pump operated under off-design condition can intensify the pressure pulsation; at the same rotational speed, the pressure pulsation’s main excitation frequency has nothing with flow fluctuation, but its intensity is associated with the flow rate, and rising flow rate can increase the amplitude of pressure pulsation.

centrifugal pump, pressure pulsation, CFX

TQ051.21

A

0254-6094(2016)01-0093-05

*周元欣，男，1987年3月生，助理工程師。河北省廊坊市，065000。

2015-03-10，

2016-01-12)