不同工況下雙吸泵湍流特性分析

白 利,邱 勝,劉小兵,安滿意

(1.西華大學能源與動力工程學院,四川成都610039；2.鄭州電力機械廠,河南鄭州450000)

不同工況下雙吸泵湍流特性分析

白 利1,邱 勝1,劉小兵1,安滿意2

(1.西華大學能源與動力工程學院,四川成都610039；2.鄭州電力機械廠,河南鄭州450000)

為了研究雙吸泵內部流場在不同流量工況下的湍流特性,選取SSTk-ω湍流模型,利用ANSYS CFX軟件對雙吸泵內部流場進行多流量工況數值模擬,得到了不同工況下雙吸泵葉輪以及蝸殼流道內的湍流流場。分析結果表明：葉輪和蝸殼內的湍動能在設計工況時最弱,渦粘系數同湍動能呈正相關；流量偏離設計工況越大則湍動能越大；正向渦量的存在有助于葉片與流體之間的能量轉換,而葉輪流道內的Z向渦量隨流量的增大而減小。

雙吸泵；湍動能；渦粘系數；渦量

0 引 言

雙吸泵憑借其高效率、大流量等諸多優點而廣泛應用于大型排灌工程[1]。湍流是流體機械中常見的一種流動狀態,從物理結構上分析,湍流是大小不同的渦組合而成的一種流動狀態[2]。

隨著流體力學的不斷發展,人們對湍流的研究愈加深入。朱榮生等對核電站上充泵進行全流道數值模擬,分析了各級葉輪內的湍動能分布[3]。吳曉晶等研究了混流式水輪機轉輪葉片優化前后葉片正背面的渦量分布[4]。劉建瑞等對消防用多級泵內部流場的湍動能進行了分析[5]。王銀亮等分析了排水管道內部的湍動能分布規律以及影響因素[6]。

目前,可查閱的文獻中關于湍流的分析主要基于各種管道以及離心泵等,而對雙吸泵內部湍流流場的分析較少。流速是決定湍流流態的主要因素之一,故本文采用SSTk-ω湍流模型對雙吸泵在多個流量工況下的湍流特性進行分析。

1 計算方法

1.1 計算模型

數值模擬所采用的雙吸泵基本參數為：流量Q=864 m3/h,揚程H=17.8 m,轉速n=1 480 r/min,NPSHr≤5 m,兩葉輪背靠背對稱布置,葉輪進口直徑為200 mm,葉輪外徑為280 mm。

全流道分5大部分,即葉輪、吸水室、蝸殼以及進口延伸段和出口延伸段,采用ICEM軟件對雙吸泵全流道進行網格劃分,網格總數為2 600 000,每一部分的網格劃分情況如圖1所示。

圖1 計算域網格劃分

計算時,環境參考壓力取一個標準大氣壓,邊界條件采用壓力進口和質量流量出口,進口的相對壓力為0,并通過改變出口的質量流量來實現多工況的計算。

圖2 不同流量下觀察平面上的湍動能分布情況

1.2 湍流方程

流體力學所研究的任何流動問題都遵守三大守恒定律,即能量守恒、動量守恒以及質量守恒。此外,湍流模型選取得是否恰當直接影響到數值模擬的結果,本文選用SSTk-ω模型對雙吸泵內部流場進行湍流計算。SSTk-ω模型主要描述了基于湍動能k和湍流脈動頻率ω的輸運方程,由于該模型考慮了湍流剪切應力的作用,因此計算精度更高,可信度更強。其輸運方程為

(1)

(2)

式中,k為湍動能；ω為湍流脈動頻率；ρ為液體密度；u為速度；ΓK為湍動能擴散系數；Gk、Gω、Yk、Yω、Sk、Sω、Dω均為相關產生項以及用戶自定義的源項。

2 湍流結果分析

2.1 湍動能分析

湍動能計算公式為

(3)

式中,u為平均速度；l為湍流強度。通過分析某一平面上的湍動能分布圖,可知能量較易損失的位置[7]。取雙吸泵中Z=0.04 m的葉輪和蝸殼平面為觀察平面,該平面上的湍動能分布情況如圖2所示。

通過比較不同流量下觀察平面上的湍動能云圖可知,設計工況下的湍動能最小,小流量工況時,流量越小則湍動能越大,而大流量工況時,流量越大則湍動能越大。湍動能的大小同平均速度和湍流強度有關,小流量工況下,雙吸泵內部流動復雜,流量越小,所導致的湍流強度越大,因此0.6Q下的湍動能高于0.8Q下的湍動能；大流量工況下,流量越大則雙吸泵內部的平均流速越大,所以1.4Q下的湍動能大于1.2Q下的湍動能；設計工況下,其內部平均流速明顯低于大流量工況下的平均流速,因此設計工況下具有最小的湍動能。

由圖2可知,設計工況下觀察平面上的湍動能分布較為均勻。0.6Q時湍動能幾乎分布于整個觀察平面上,則此時葉輪和蝸殼處均易發生能量損失,流量增加至0.8Q時,觀察平面上的湍動能分布區域明顯減小。

如圖3為沿葉輪出水圓周方向上的湍動能變化情況。

圖3 不同流量下葉輪出水圓周上的湍動能值

由圖3可知,觀察平面出水圓周上的湍動能基本上呈周期性變化,設計工況和大流量工況下的周期性規律較為明顯；而小流量工況下的周期性較差,波峰和波谷非常明顯,這可能是特征點相對于蝸殼隔舌位置不同所導致的差異。

如圖4為葉片正背面出水邊上的湍動能隨Z坐標值的變化情況。由圖4可知,葉片背面的湍動能大于工作面上的湍動能,并且葉片出水邊中部的湍動能最小,而靠近前后蓋板處的湍動能逐漸增大。因為越靠近壁面處,流層所受剪切應力越大,相應地湍動能也就越大。

圖5 不同流量下觀察平面上的渦粘系數分布情況

圖6 不同流量下觀察平面上的Z向渦量分布情況

圖4 設計工況下葉片出水邊的湍動能變化

2.2 渦粘系數分析

在求解湍流時,SSTk-ω湍流模型作為一種渦粘模型,會引入渦粘系數(又稱湍動粘度)。同樣選取如圖2所示的觀察平面,分析不同流量下觀察平面上的渦粘系數分布情況,如圖5所示,以研究雙吸泵內部流場的湍流粘性。湍流粘性并非流體本身的物理屬性,而主要用于反應流體的流動狀態。

將圖5結合圖2分析可知,觀察平面上渦粘系數的分布情況同湍動能的分布情況非常相似。因為渦粘模型中渦粘系數同雷諾應力項有關,而雷諾應力項又同平均速度梯度有關,平均速度梯度又同湍動能有關,同時結合圖5和圖2的渦粘系數以及湍動能分布規律可知,渦粘系數與湍動能呈正相關,這也就說明了在湍動能較大的區域內,其湍流粘性也就越大,能量耗散也就越快。

2.3 渦量分析

取Z軸為旋轉軸,根據右手法則可知葉輪的旋轉方向為Z軸正方向,渦量是速度的旋度,同樣遵循右手定則。當Z向渦量為正時,表明渦量同旋轉角速度的方向相同,葉片表面流體的耗散損失會降低,同時有助于葉輪與流體之間的能量交換；當Z向渦量為負時,渦量與旋轉角速度的方向相反,從而增大流體的耗散損失,不利于能量轉換[8]。圖6展示了不同流量下Z=0.04 m葉輪平面上的渦量分布情況。

由圖6可知,隨著流量的增加,葉輪流道內+Z向渦量值和-Z向渦量值均有所減小,葉片表面的渦量大都為+Z向渦量,+Z向渦量有助于葉片與流體之間的能量轉換,所以小流量工況時,流體更容易獲得葉片所傳遞的能量,從而達到更高的揚程,而大流量工況時的能量轉換較弱,因此大流量所對應的揚程較低[9]。

3 結 論

通過分析五個不同流量工況下雙吸泵內部流場的湍流特性,可得出以下結論：

(1)設計工況下,雙吸泵流道內的湍動能強度最小；小流量工況下,湍動能隨流量的減小而增大,并且分布于葉輪和蝸殼流道；大流量工況下,湍動能隨流量的增大而增大。

(2)由于壁面剪切應力的作用,導致葉片上靠近前后蓋板處的湍動能較大,而葉片中部受剪切應力的影響較弱,所以湍動能較小。

(3)雙吸泵內渦粘系數的分布規律同湍動能的分布規律基本一致,渦粘系數同湍動能呈正相關。

(4)隨著流量的增加,葉輪流道內Z向渦量逐漸減小。流量越小,葉片表面的+Z向渦量越大,葉片與流體之間的能量交換越強,所以小流量對應高揚程。

[1]原雯. 雙吸泵內部流場性能研究及優化設計[D]. 大慶： 東北石油大學, 2015．

[2]王福軍. 計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用[M]. 北京： 清華大學出版社, 2004．

[3]朱榮生, 王韜, 付強, 等. 基于CFD技術的核電站上充泵全流場數值模擬[J]. 排灌機械工程學報, 2012(1): 30- 34．

[4]吳曉晶, 吳玉林, 張樂福, 等. 混流式水輪機轉輪的渦量場分析[J]. 水力發電學報, 2008(3): 132-136, 131．

[5]劉建瑞, 張立勝, 向宏杰, 等. SXB型消防用多級泵全流場CFD數值模[J]. 排灌機械工程學報, 2010(5): 394- 397．

[6]王銀亮, 艾海男, 黃維, 等. 排水管道內湍動能分布特性及影響因素[J]. 環境工程學報, 2015(8): 3637- 3642．

[7]趙立峰. 射流式離心泵內部流動及空化特性研究[D]. 鎮江： 江蘇大學, 2016．

[8]李曉俊. 離心泵葉片前緣空化非定常流動機理及動力學特性研究[D]. 鎮江： 江蘇大學, 2013．

[9]施衛東, 季磊磊, 李偉, 等. 不同流量工況下斜流泵內部流場PIV試驗[J]. 農業機械學報, 2016(6): 27- 33．

(責任編輯高 瑜)

AnalysisofTurbulentCharacteristicsofDouble-SuctionPumpunderDifferentOperationConditions

BAI li1, QIU Sheng1, LIU Xiaobing1, AN Manyi2
(1. School of Energy and Power Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, Sichuan, China;2. Electric Power Machinery Factory of Zhengzhou, Zhengzhou 450000, Henan, China)

In order to study the turbulent characteristics of internal flow field under different flow conditions in a double-suction centrifugal pump, the SSTk-ωturbulence model is selected and the ANSYS CFX software is used to simulate the flow field of pump. The results show that: (a) the turbulent kinetic energy in impeller and spiral case are weakest under design condition, and the eddy viscosity coefficient is positively correlated to turbulent kinetic energy; (b) the greater the flow deviation from design conditions, the greater the turbulent kinetic energy is; (c) the existence of positive vorticity contributes to the energy conversion between blade and fluid, and the vorticity atZdirection in impeller flow channel will decrease with the increase of flow rate．

double-suction pump; turbulent kinetic energy; eddy viscosity coefficient; vorticity

2016- 09- 20

國家自然科學基金項目(51279172);西華大學省部級學科平臺開放課題(szjj2016- 004)；西華大學重點科研基金資助項目(Z1510417)

白利(1993—),女,四川梓潼人,碩士研究生,研究方向為流體機械流動理論、數值及實驗研究；劉小兵(通訊作者)．

TH311

：A

：0559- 9342(2017)06- 0076- 04