變流量工況下熔鹽泵性能仿真實驗

程文潔， 王賽賽, 周勇軍

(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，南京 211816)

變流量工況下熔鹽泵性能仿真實驗

程文潔， 王賽賽, 周勇軍

(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，南京 211816)

為了提高高溫熔鹽泵的水力性能，采用數(shù)值模擬仿真實驗，對不同流量、不同葉片數(shù)(z=5，6，7)熔鹽泵內(nèi)部定常流動進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明：3個模型泵內(nèi)壓力分布相似,出口處靜壓最大，其大小順序為：ps-z7>ps-z6>ps-z5；小流量工況下(0.4Q,0.6Q)蝸舌附近流道內(nèi)存在明顯的漩渦(Ⅲ、Ⅳ 兩個象限)，且漩渦隨著流量增加而減小，當(dāng)流量達(dá)到Q以后各個流道內(nèi)的漩渦消失；泵的揚(yáng)程隨著流量的增加不斷減小，在0.8Q～1.1Q之間揚(yáng)程下降較快，同一流量下z=7泵的揚(yáng)程明顯高于其他兩個模型泵；葉片數(shù)的改變對此結(jié)構(gòu)熔鹽泵影響不是很大，從性能曲線的對比可以看出，z=7泵略優(yōu)于其他葉片數(shù)泵，熔鹽泵在0.8Q～1.1Q之間工作效率較高。該研究可為揭示熔鹽泵內(nèi)部流動現(xiàn)象提高熔鹽泵水力性能提供參考。

變流量; 熔鹽泵； 葉片數(shù)； 小流量

0 引 言

熔鹽是一種由高溫離子熔體熔化而形成的無機(jī)鹽類化合物，具有黏度小、熱容大、熱穩(wěn)定性高等特點，可以作為太陽能利用的蓄熱介質(zhì)，用作金屬鑄件熱處理中的鹽浴介質(zhì)等用途[1]。熔鹽的種類很多，目前混合熔鹽(多元)以其相對于純物質(zhì)熔鹽的諸多優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用，其中三元高溫?zé)彷d體熔鹽(HTS)(53%KNO3；7%NaNO3；40%NaNO2)混合熔鹽因毒性小、腐蝕性弱、蒸汽壓低、使用溫度范圍廣和價格便宜等優(yōu)點受到國內(nèi)外重視，并作為傳熱蓄熱介質(zhì)在太陽能熱發(fā)電中得到很好應(yīng)用[2]。

熔鹽泵是用來輸送熔鹽的設(shè)備，正常工作溫度在250～500 ℃，有時甚至高于550 ℃。它在現(xiàn)代工業(yè)中起著十分關(guān)鍵的作用，特別在冶金行業(yè)和石化行業(yè)中，熔鹽泵及各類高溫泵的年需求量正以20%～30%的速度增長，市場需求量逐年上升。由此可見，熔鹽泵發(fā)展市場前景十分廣闊。

影響熔鹽泵水力性能的參數(shù)有很多，如流量、轉(zhuǎn)速、葉輪結(jié)構(gòu)等[3-6]。很多學(xué)者以水或者油為輸送介質(zhì)研究泵的水力性能，但是關(guān)于熔鹽物性對熔鹽泵水力性能影響的研究還相對較少。因此，有必要開展熔鹽物性對熔鹽泵水力性能的影響的研究。介質(zhì)黏度是影響泵特性的主要因素之一，許多學(xué)者對此開展了研究。潘中永等[7]采用數(shù)值模擬的方法分析比較以清水和黏油為介質(zhì)時離心泵內(nèi)部壓力和速度分布情況；李文廣[8]也以清水和黏油作為介質(zhì)，利用激光多普勒測速儀(LDV)測量了離心泵蝸殼內(nèi)部的流動情況；劉宜等[9]實驗研究了不同工況下黏度對離心泵內(nèi)部尾流的影響；Li[10]同時分析了葉片出口角和黏度兩個因素對離心泵內(nèi)非穩(wěn)態(tài)流動的影響；Shojaeefard等[6]分析了葉輪流道幾何形狀的改變對離心泵輸送黏性流體產(chǎn)生的影響；Jafarzdeh[11]通過改變?nèi)~片數(shù)分析研究葉片與蝸舌的相對位置對泵性能產(chǎn)生的影響，大多文獻(xiàn)都是針對以清水或者黏油為介質(zhì)開展研究，鮮見關(guān)于以熔鹽為輸送介質(zhì)的報道。熔鹽的黏度隨溫度的變化而變化，從而影響熔鹽泵的內(nèi)部流動和外特性[12-15]。本文主要研究熔鹽泵在變溫度情況下內(nèi)部流動及外特性的變化規(guī)律，通過改變?nèi)~輪結(jié)構(gòu)，研究葉輪結(jié)構(gòu)變化對變溫度工況下泵內(nèi)壓力及速度變化規(guī)律的影響，最終確定熔鹽泵高效穩(wěn)定運行的工作溫度范圍及最優(yōu)結(jié)構(gòu)，達(dá)到節(jié)能環(huán)保效果。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型建立

由圖1可見,熔鹽泵流體區(qū)域主要包含入水段、葉輪和蝸殼，其中葉輪為旋轉(zhuǎn)部件。泵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及設(shè)計參數(shù)如下：泵的入口直徑Din=75 mm，泵的出口直徑Dout=50 mm，葉輪出口直徑D2=254 mm,葉片數(shù)z=5、6、7,葉片入口寬度b1=22 mm,葉片出口寬度b2=9 mm,葉片進(jìn)口角β1=38°,葉片出口角β2=32°,設(shè)計流量Qd=50 m3/s,設(shè)計揚(yáng)程Hd=80 m。泵的額定轉(zhuǎn)速2 900 r/min,模擬流體處于不同流量工況下在泵內(nèi)流動情況,選擇流量分別為0.4Q,0.6Q,0.8Q,1.0Q,1.1Q,葉片數(shù)設(shè)置見圖2。由于蝸舌位置對泵內(nèi)流動影響較大，為了比較結(jié)果的準(zhǔn)確性，確定第1個葉片與蝸舌的距離相等(d1=d2=d3)。

圖1 熔鹽泵流體區(qū)域及中截面象限圖

z=5

z=6

z=7

圖2 不同葉片數(shù)模型泵中截面結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 控制方程

為了簡化數(shù)學(xué)模型和模擬計算,作如下假設(shè):①熔鹽泵內(nèi)流體為不可壓縮流體；②忽略泵內(nèi)溫度的變化；③忽略熔鹽相變的存在；④忽略除水力損失以外的其他損失,如圓盤摩擦損失、軸的泄漏損失等。

建立基于以上假設(shè)的定常不可壓縮流體模型，用于分析熔鹽泵的內(nèi)部流動及外特性。控制方程采用雷諾時均N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，選用SIMPLE算法對模型進(jìn)行求解。

1.3 網(wǎng)格劃分

由于3個模型泵(5、6、7葉片泵)的進(jìn)水管部分較規(guī)則，采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格對其進(jìn)行劃分，葉輪和蝸殼均采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分。具體網(wǎng)格數(shù)見表1。

表1 流體區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)

1.4 邊界條件

進(jìn)口邊界設(shè)置為速度進(jìn)口，可由泵的流量和進(jìn)口直徑求得，湍流特性根據(jù)湍流強(qiáng)度和水力直徑來確定；出口邊界條件按照局部單項化處理；壁面邊界采用無滑移壁面條件，且設(shè)置定子與轉(zhuǎn)子的交界面為interface類型,interface1位于入水管與葉輪之間；interface2位于葉輪與蝸殼之間，見圖3。

圖3 模型泵交界面位置示意圖

2 計算結(jié)果分析

圖4顯示不同流量工況下泵中截面靜壓分布情況。由圖可見，3個模型泵內(nèi)壓力分布相似,壓力在葉輪入口處最低，沿著葉輪流道向蝸殼方向逐漸增加，在同一半徑處壓力面壓力明顯高于吸力面壓力，在泵的出口處壓力最大。同一模型泵內(nèi)，隨著流量增加,靜壓明顯降低, 比較3個泵的出口壓力可得,ps-z7>ps-z6>ps-z5，這是由于隨著葉片數(shù)的增加，流體從葉輪中獲得的能量也有所增加。

0.4Q

0.6Q

0.8Q

1.0Q

1.1Q

0.4Q

0.6Q

0.8Q

1.0Q

1.1Q

0.4Q

0.6Q

0.8Q

1.0Q

1.1Q

圖5所示為不同流量下模型泵中截面相對速度矢量分布圖，圖中顯示小流量工況下(0.4Q,0.6Q)蝸舌附近流道內(nèi)存在明顯的漩渦，當(dāng)流量增加到0.8Q時，流道內(nèi)液體速度明顯降低，漩渦明顯減小。當(dāng)流量達(dá)到1.0Q以后，各個流道內(nèi)的漩渦消失，蝸舌附近流體沿流道流向蝸殼，流道內(nèi)同一半徑處，液體速度在葉片吸力面附近達(dá)到最大。比較3個模型泵內(nèi)速度分布情況可得,不同泵的漩渦都出現(xiàn)在Ⅲ、Ⅳ 兩個象限的流道內(nèi)，其他流道幾乎沒有漩渦出現(xiàn)(除了蝸舌附近)，因此可以得出3種不同葉片數(shù)的模型泵內(nèi)，z=7泵內(nèi)部流動較理想。

模型泵性能曲線見圖6。由圖6(a)可知，隨著流量增加，不同泵的揚(yáng)程都不斷減小，在0.8Q～1.1Q之間揚(yáng)程下降較快，同一流量下7葉片泵的揚(yáng)程明顯高于其他兩個模型泵。由圖6(b)可見，不同泵的流量效率曲線很相似，當(dāng)流量從0.4Q增加到0.8Q，泵效率增加迅速，效率在0.8Q～1.1Q之間變化較平緩，且出現(xiàn)駝峰。另外，比較不同模型泵在同一流量下的效率可得，z=7泵效率略高。

結(jié)論如下：葉片數(shù)的改變對此結(jié)構(gòu)熔鹽泵影響不是很大，從性能曲線的對比可以看出，z=7泵略優(yōu)于其他葉片數(shù)泵，熔鹽泵在0.8Q～1.1Q之間工作效率較高。

0.4Q0.6Q0.8Q1.0Q1.1Q

(a) z=5

(b) z=6

(c)z=7

圖5 不同流量工況下模型泵中截面相對速度分布矢量圖(m/s)

(a) 揚(yáng)程-流量

(b) 效率-流量

3 結(jié) 論

葉片數(shù)量和液體流量在熔鹽泵內(nèi)部流動中的影響可以通過CFD數(shù)值模擬合理估計,本文的主要目的是預(yù)測葉輪中的流場分布，尋找適于泵內(nèi)流體穩(wěn)定高效流動的葉輪結(jié)構(gòu)及流量工況。因此,選擇流量大小為0.4Q,0.6Q,0.8Q,1.0Q,1.1Q,葉片數(shù)選擇為從5～7。數(shù)值預(yù)測表明：

(1) 3個模型泵內(nèi)壓力分布相似,壓力在葉輪入口處最低，沿著葉輪流道向蝸殼方向逐漸增加，在同一半徑處壓力面壓力明顯高于吸力面壓力，在泵的出口處壓力最大，其大小順序為：ps-z7>ps-z6>ps-z5。

(2) 小流量工況下(0.4Q,0.6Q)蝸舌附近流道內(nèi)存在明顯的漩渦，其隨著流量增加而減小，當(dāng)流量達(dá)到1.0Q以后各個流道內(nèi)的漩渦消失；不同泵的漩渦都出現(xiàn)在Ⅲ、Ⅳ 兩個象限的流道內(nèi)，其他流道幾乎沒有漩渦出現(xiàn)(除了蝸舌附近)，3個不同模型泵中z=7泵的內(nèi)部流動較理想。

(3) 泵的揚(yáng)程隨著流量的增加不斷減小，在0.8Q～1.1Q之間揚(yáng)程下降較快，同一流量下z=7泵的揚(yáng)程明顯高于其他兩個模型泵；葉片數(shù)的改變對此結(jié)構(gòu)熔鹽泵影響不是很大，從性能曲線的對比可以看出，z=7泵略優(yōu)于其他葉片數(shù)泵，熔鹽泵在0.8Q～1.1Q之間工作效率較高。

[1] 李云校，康 燦，朱宜超，等. 蝸殼結(jié)構(gòu)對立式高溫熔鹽泵性能的影響[J]. 化工學(xué)報，2013，64(8)：2853-2859.

[2] 楊敏官，高 波，賈衛(wèi)東，等. 高溫熔鹽泵上軸承冷卻系統(tǒng)設(shè)計[J]. 軸承， 2006(3)：4-7.

[3] 關(guān)醒凡. 現(xiàn)代泵技術(shù)手冊[M]. 北京:宇航出版社，1995.

[4] Cui Baoling, Zhu Zuchao, Zhang Jianci,etal. The flow simulation and experimental study of low-specific-speed complex centrifugal impellers[J]. Chin J Chem Eng, 2016, 14(4):435-441.

[5] Grapsas V, Stamatelos F, Anagnostopoulos J,etal. Numerical study and optimal blade design of a centrifugal pump by evolutionary algorithms[J]. Lecture Notes in Computer Science, 2008, 5178:26-33.

[6] Shojaeefard M H, Tahani M, Ehghaghi M B,etal. Numerical study of the effects of some geometric characteristics of a centrifugal pump impeller that pumps a viscous fluid[J]. Computers & Fluids, 2012, 60(4):61-70.

[7] 潘中永，曹英杰. 離心泵輸送不同粘度流體的數(shù)值分析[J]. 排灌機(jī)械，2009，27(3)：168-172.

[8] 李文廣，薛敦松. 粘度對離心泵蝸殼內(nèi)部流動的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2003，34(2)：30-33.

[9] 劉 宜，宋懷德，陳建新，等. 粘度對離心泵內(nèi)部尾流的影響[J]. 排灌機(jī)械，2009，27(2)：87-90.

[10] Li W G. Effects of blade exit angle and liquid viscosity on unsteady flow in centrifugal pumps[J]. Journal of Power and Energy, 2012, 226: 580-599.

[11] Jafarzadeh B,Hajari A, Alishahi M M,etal.The flow simulation of a low-specific-speed high-speed centrifugal pump[J]. Applied Mathematical Modelling, 2011, 35: 242-249.

[12] 邵春雷. 離心泵內(nèi)部流動及動態(tài)虛擬設(shè)計方法研究[D]. 南京：南京工業(yè)大學(xué)，2008.

[13] 邵春雷，顧伯勤，陳 曄. 離心泵內(nèi)部非定常壓力場的數(shù)值研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(1)：75-80.

[14] Chunlei Shao, Jianfeng Zhou, Wenjie Cheng.Experimental and numerical study of external performance and internal flow of a molten salt pump that transports fluids with different viscosities[J].Transfer, 2015, 89: 627-640.

[15] Chunlei Shao, Jianfeng Zhou, Boqin Gu,etal. Experimental investigation of the full flow field in a molten salt pump by particle image velocimetry[J]. Journal of Fluid Engineering, 2015, 137(10):104501-1～104501-5.

Performance Simulation of the Molten Salt Pump under Variable Flow Conditions

CHENGWenjie,WANGSaisai,ZHOUYongjun

(College of Mechanical and Power Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816， China)

To enhance the hydraulic performance of the molten salt pump, the steady flow in the molten salt pump was studied numerically based on the simulation experiment. Under different flow rates, the internal flow fields in the pumps with different blade number were systematically simulated. The results revealed that the pressure distribution in the three model pumps are similar, the largest static pressure appears at the volute outlet, andps-z7>ps-z6>ps-z5. There are obvious vortex in the flow passage (Ⅲ, Ⅳ quadrants) near the volute tongue under low flow rate conditions (0.4Q,0.6Q), and the vortex decreases with the increase of flow, when the flow rate reachesQthe vortex disappear. The pump head decreases with the increase of flow rate, and the head falls faster between 0.8Q-1.1Q. Moreover, thez=7 pump has higher head than that of the other two pumps under the same flow rate. Changing of blade number has little influence on this structure of molten salt pump, it can be seen from the comparison of performance curves,z=7 pump is slightly better than the other blade number pumps, and the molten salt pump has better efficiency between 0.8Q-1.1Q. These results can be taken as references on the development of high-performance molten salt pump.

variable flow; molten salt pump; blade number; low flow rate

2016-07-07

江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(2016DC275)

程文潔(1982-)，女，江蘇連云港人，實驗師，博士生在讀,現(xiàn)主要從事流體工程數(shù)值模擬研究。

Tel.：025-58139349；E-mail: cwj@njtech.edu.cn

TH 311

A

1006-7167(2017)03-0031-05