多工況下分流葉片離心泵非定常空化特性分析

張 興，廖 姣，張文明

(西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川成都610039)

多工況下分流葉片離心泵非定常空化特性分析

張 興，廖 姣，張文明

(西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川成都610039)

為了進(jìn)一步優(yōu)化離心泵葉輪流道，提高離心泵的空化性能，對(duì)有/無(wú)分流葉片離心泵進(jìn)行全流道三維非定常湍流空化數(shù)值模擬，分析0.4Q～1.0Q工況下泵的空化性能。結(jié)果顯示：在空化充分發(fā)展的情況下，無(wú)分流葉片離心泵揚(yáng)程對(duì)NPSH的降低比較敏感；添加分流葉片后，離心泵的揚(yáng)程提高，葉輪進(jìn)口部位的低壓區(qū)域減少，葉輪內(nèi)湍動(dòng)能明顯減小，泵的抗空化性能明顯增強(qiáng)；隨著流量的降低，泵的臨界空化余量降低，但泵內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重空化的速率逐漸加快；當(dāng)離心泵內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重空化時(shí)，空泡將堵塞整個(gè)葉輪流道。

離心泵；分流葉片；非定常；空化特性

0 引 言

空化是影響離心泵葉輪水力性能的重要因素之一，當(dāng)離心泵內(nèi)發(fā)生空化時(shí)，泵內(nèi)液體的能量交換遭到破壞，最終使泵的揚(yáng)程、效率以及使用壽命降低[1-2]。分流葉片葉輪在設(shè)計(jì)上避免了流道擁擠所帶來(lái)的空化問(wèn)題，同時(shí)能夠有效改善泵內(nèi)流動(dòng)狀況。目前，關(guān)于分流葉片離心泵的研究主要集中在外特性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面。張金鳳等通過(guò)對(duì)不同葉片數(shù)、不同分流葉片長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)方案葉輪進(jìn)行全流道數(shù)值模擬，得出分流葉片有利于葉輪出口和蝸殼入口的壓力、速度分布均勻性，能有效提高葉輪出口壓力，減小壓力脈動(dòng)[3]。G.Kergourlay等通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究分析了分流葉片對(duì)離心泵內(nèi)部流動(dòng)的影響[4]。王秀禮等通過(guò)數(shù)值模擬分析的方法對(duì)分流葉片離心泵在不同汽蝕余量時(shí)葉輪內(nèi)部氣液兩相的分布規(guī)律進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)選擇合理短葉片的進(jìn)口直徑可以有效提高離心泵的抗汽蝕性能， 避免葉輪進(jìn)口堵塞和流道內(nèi)發(fā)生漩渦汽蝕[5]。然而由于兩相非定常計(jì)算的復(fù)雜性及高耗時(shí)性，目前對(duì)于分流葉片離心泵的研究大多處于定常計(jì)算分析方面，針對(duì)非定常數(shù)值模擬的研究仍然較少，因此研究不同流量工況下，有/無(wú)分流葉片離心泵的瞬態(tài)空化性能，對(duì)于減少空化對(duì)離心泵運(yùn)行所產(chǎn)生的不利影響有著重要的意義。

1 幾何模型與網(wǎng)格建立

1.1 幾何模型設(shè)計(jì)

計(jì)算采用全流道數(shù)值模擬，計(jì)算域主要分為蝸殼和葉輪兩部分。為了更好的模擬離心泵內(nèi)的湍流發(fā)展，適當(dāng)延長(zhǎng)泵的進(jìn)出口，模型泵主要參數(shù)為比轉(zhuǎn)速ns=66的離心泵，流量Q=50 m3/h，揚(yáng)程H=50 m，轉(zhuǎn)速n=2 900 r/min，葉輪進(jìn)口直徑D1=60 mm，葉輪外徑D2=200 mm，長(zhǎng)葉片數(shù)Z=5。

1.2 葉輪改型設(shè)計(jì)

為研究分流葉片離心泵的瞬態(tài)空化性能，在葉輪流道內(nèi)設(shè)計(jì)添加了分流短葉片。參考分流葉片設(shè)計(jì)方法，最終確定分流葉片的進(jìn)口直徑D=0.80D2，偏置度為10°。分流葉片數(shù)Z1=5。分流葉片出口角與長(zhǎng)葉片出口角相等。

1.3 網(wǎng)格劃分

圖1為計(jì)算所用離心泵，在ICEM軟件中劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分完成后，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，確認(rèn)網(wǎng)格質(zhì)量滿足要求。將有/無(wú)分流葉片離心泵方案分別命名為方案1和方案2。最終方案1的網(wǎng)格單元數(shù)為1 144 558，方案2的網(wǎng)格單元數(shù)為1 190 099。

圖1 離心泵計(jì)算域

2 數(shù)值模擬

數(shù)值計(jì)算前進(jìn)行邊界條件設(shè)定，進(jìn)口邊界條件為總壓進(jìn)口，出口邊界條件設(shè)為質(zhì)量流量出口。對(duì)于轉(zhuǎn)輪與進(jìn)口段、蝸殼之間的動(dòng)靜耦合交界面，采用Frozen Rotor模型進(jìn)行銜接。空化計(jì)算中，設(shè)置介質(zhì)在25℃的飽和蒸汽壓力為3 169 Pa，空泡的直徑設(shè)為2×10-6m。設(shè)置進(jìn)口處水的體積分?jǐn)?shù)為1，空泡體積分?jǐn)?shù)為0，兩相流之間的相間傳遞模型為混合模型，非定常計(jì)算以定常計(jì)算的結(jié)果為初始值[6]。動(dòng)靜耦合交界面采用Transient Frozen Rotor模式[7]。葉輪每旋轉(zhuǎn)3°為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。總共計(jì)算5個(gè)旋轉(zhuǎn)周期，取第5個(gè)周期的結(jié)果用于分析。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 外特性分析

當(dāng)離心泵內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重空化時(shí)，泵的揚(yáng)程、效率將逐漸降低。定義離心泵揚(yáng)程為

(1)

式中，m、n表示泵進(jìn)出口截面上的節(jié)點(diǎn)數(shù)；p0為總壓；下標(biāo)in、out分別表示離心泵進(jìn)、出口。

離心泵的有效空化余量NPSH為

(2)

式中，Pv表示離心泵在某一溫度下流體的汽化壓力。

將離心泵揚(yáng)程下降3%時(shí)所對(duì)應(yīng)的空化余量作為臨界空化余量。圖2為不同流量工況下，方案1離心泵的空化性能曲線，可以看出，流量越低，無(wú)分流葉片離心泵的臨界空化余量越小，說(shuō)明適當(dāng)?shù)慕档土髁坑欣谔岣弑玫目栈阅堋P(yáng)程隨空化余量的變化情況與理論分析相似，說(shuō)明數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)于預(yù)測(cè)離心泵的空化性能具有一定的準(zhǔn)確性。

圖2 方案1空化性能曲線

圖3 方案2空化性能曲線

圖3為方案2離心泵在不同流量工況下的空化性能曲線，可以看出，與方案1離心泵相比，泵的揚(yáng)程明顯提高。在設(shè)計(jì)工況下，無(wú)分流葉片離心泵的臨界空化余量為1.6 m，分流葉片離心泵的臨界空化余量為1.05 m。說(shuō)明添加分流葉片能夠降低泵的臨界空化余量，改善離心泵的空化性能。

3.2 葉輪空泡體積分?jǐn)?shù)的變化

為探究空泡在葉輪內(nèi)的變化情況。表1給出了不同工況下，有/無(wú)分流葉片離心泵內(nèi)空泡體積分?jǐn)?shù)隨NPSH變化的具體值，可以看出，在空化初生時(shí)，流道內(nèi)的空泡體積分?jǐn)?shù)較小。隨著空化余量的不斷下降，流道內(nèi)將逐漸出現(xiàn)空泡。在設(shè)計(jì)流量下，流道內(nèi)最先產(chǎn)生空泡。但是流道內(nèi)的空泡體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值是在0.6Q工況下。小流量工況下，流道出現(xiàn)空泡較晚，但初生空泡后，葉輪內(nèi)的空泡體積分?jǐn)?shù)一直很大。當(dāng)空化余量足夠低時(shí)，空泡將占據(jù)整個(gè)流道。

圖4 方案1不同時(shí)刻葉片空泡體積分?jǐn)?shù)分布

圖5 方案2不同時(shí)刻葉片空泡體積分?jǐn)?shù)分布

3.3 葉片空泡體積分?jǐn)?shù)分布

圖4、5分別為設(shè)計(jì)流量工況下，NPSH=0.9 m時(shí)，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，有/無(wú)分流葉片離心泵葉輪葉片背面上的空泡分布變化。從圖中可以看出，此時(shí)方案1離心泵葉輪內(nèi)已發(fā)生嚴(yán)重空化。通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)葉片運(yùn)動(dòng)到蝸殼隔舌斷面附近時(shí)，葉片背面的空化程度以及空泡體積份額達(dá)到最小值。在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，葉輪葉片背面的空化發(fā)展是由弱到強(qiáng)，再由強(qiáng)到弱的，在不同時(shí)刻，葉片背面的空泡分布情況不同。但體積份額較大的空泡主要集中在葉片進(jìn)口背面的一個(gè)低壓區(qū)域內(nèi)。這是由于該區(qū)域的圓周速度及周向速度均較大，從而使得該區(qū)域的進(jìn)口壓力損失較大。在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，葉片空泡體積分?jǐn)?shù)最大值為0.923，此時(shí)在葉片上的空泡已嚴(yán)重發(fā)展，空泡對(duì)流道造成部分堵塞。

表1 空泡體積分?jǐn)?shù)變化

圖6 方案1湍動(dòng)能分布

圖7 方案2湍動(dòng)能分布

3.4 分流葉片對(duì)流場(chǎng)的影響

湍動(dòng)能是指單位質(zhì)量流體的湍流動(dòng)能，湍動(dòng)能能夠反應(yīng)離心泵流道漩渦中的水體能量的大小，其大小直接反應(yīng)水體中能量的耗散程度。圖6、7分別為NPSH=0.9 m時(shí)，不同流量工況下，有/無(wú)分流葉片離心泵內(nèi)的湍動(dòng)能分布。從圖中可以看出，由于此時(shí)各工況下葉輪均已發(fā)生嚴(yán)重空化，因此泵內(nèi)湍動(dòng)能值較大。設(shè)計(jì)工況下，葉輪內(nèi)產(chǎn)生的湍流脈動(dòng)最小。0.5Q工況下，在葉輪進(jìn)口處所產(chǎn)生的湍動(dòng)能較小，在葉輪出口位置以及葉片壓力面湍動(dòng)能達(dá)到最大值。0.8Q工況下，葉輪進(jìn)口壓力面的湍流脈動(dòng)最大，出口處的湍流脈動(dòng)介于設(shè)計(jì)工況和0.5Q工況之間。設(shè)計(jì)工況下的湍動(dòng)能較小，且分布在極為有限的區(qū)域內(nèi)，說(shuō)明設(shè)計(jì)工況下的脈動(dòng)及粘性耗散最小，內(nèi)部流動(dòng)最穩(wěn)定。與圖6相比，圖7中的分流葉片離心泵內(nèi)的湍動(dòng)能分布得到明顯改善，湍動(dòng)能分布區(qū)域減小。

4 結(jié) 論

(1)隨著流量的減小，離心泵的臨界空化余量降低。離心泵的空化性能與泵的葉輪型式有密切關(guān)系。分流葉片能夠有效改善泵內(nèi)流動(dòng)情況，提高葉輪進(jìn)口處的壓力，降低葉輪內(nèi)空泡體積分?jǐn)?shù)，有利于提高泵的空化性能。

(2)在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，離心泵葉片上的空泡體積分?jǐn)?shù)是由弱到強(qiáng)，再由強(qiáng)到弱變化的。在蝸殼隔舌附近，葉片上空泡體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最小值。

(3)當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重空化時(shí)，泵內(nèi)由空化引起的漩渦會(huì)造成泵內(nèi)湍動(dòng)能值增大。設(shè)計(jì)工況下，泵內(nèi)湍流脈動(dòng)最小。添加分流葉片后，泵內(nèi)的脈動(dòng)耗散及粘性耗散降低，泵內(nèi)流動(dòng)的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

[1]SHIGEMITSU T, FUKUTOMI J, KAJI K, et al.Unsteady internal flow conditions of mini-centrifugal pump with splitter blades[J]. Journal of Thermal Science, 2013, 22(1): 86- 91．

[2]羅晟, 蔡兆麟. 變?nèi)~片數(shù)和長(zhǎng)短葉片結(jié)構(gòu)對(duì)離心葉輪內(nèi)三維粘性流場(chǎng)的影響[J]. 風(fēng)機(jī)技術(shù), 2000(6): 3- 6.

[3]張金鳳. 帶分流葉片離心泵全流場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào)和設(shè)計(jì)方法研究[D]. 鎮(zhèn)江： 江蘇大學(xué), 2007.

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[5]王秀禮, 袁壽其, 朱榮生, 等. 長(zhǎng)短葉片離心泵汽蝕性能數(shù)值模擬分析及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2012(10): 1154- 1157.

[6]陳松山, 周正富, 葛強(qiáng), 等. 長(zhǎng)短葉片離心泵葉輪內(nèi)部流動(dòng)的PIV測(cè)量[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2007, 38(2): 98- 101．

[7]呂永翠. 帶分流葉片的離心壓氣機(jī)葉輪內(nèi)部流場(chǎng)分析及強(qiáng)度計(jì)算[D]. 大連： 大連交通大學(xué), 2015．

(責(zé)任編輯 高 瑜)

Unsteady Cavitation Characteristics of Centrifugal Pump with Splitter Blades Operating in Multi-Conditions

ZHANG Xing, LIAO Jiao, ZHANG Wenming
(School of Energy and Power Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, Sichuan, China)

In order to further optimize flow passage of impeller and improve the cavitation performance of centrifugal pump, the numerical simulations of three dimensional unsteady turbulent flow in whole flow passage of a centrifugal pump with or without splitter blades are carried out to analyze the cavitation performance of pump under 0.4Q-1.0Qconditions respectively. The results show that: (a) in the case of full development of cavitation, the head of centrifugal pump without splitter blades is more sensitive to the reduction of NPSH; (b) after adding splitter blades, the head of centrifugal pump is improved, the low pressure area of impeller is reduced, the turbulent kinetic energy of impeller is decreased obviously and the anti cavitation performance of pump is obviously enhanced; (c) with the decrease of flow rate, the critical cavitation margin of pump is reduced, but the rate of serious cavitation in pump is gradually increased; and (d) when a serious cavitation occurs in centrifugal pump, the cavity will block the flow of impeller．

centrifugal pump; splitter blade; unsteady; cavitation characteristics

2017- 03- 20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379179)；流體及動(dòng)力機(jī)械四川省科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)(2011JTD0016)；西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(ycjj2016096)

張興(1992—)，女，四川廣安人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)及制造．

TV7；TH311

A

0559- 9342(2017)08- 0084- 04