多級離心泵內部流動分析及性能預測

聶小林

摘 要

基于多重參考系（ MRF） 模型及Realizable k-ε湍流模型，對多級離心泵整機內部的湍流流場進行了數值模擬，分析了不同流量工況下的流場分布規律，揭示了離心泵內漩渦等不良流動結構發生的位置及原因，并對其外特性進行了預測。結果表明：由于蝸舌的影響，各流量工況下多級泵內部各級葉輪速度與靜壓、總壓分布均呈現非對稱性;流體流經葉輪其總壓逐漸增加，流經蝸室逐漸降低;在首級葉輪入口吸力面處壓力最低，故最易發生汽蝕現象;隨著流量增加，多級泵的揚程逐漸降低，流道內產生的漩渦逐漸減小。預測的性能曲線與實驗的性能曲線較為吻合。

關鍵詞

多級泵;內部流動;數值模擬;性能曲線

中圖分類號： TH311 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.032

0 前言

多級離心泵具有揚程高、運行安全平穩等優點[1]，在農業、電力、城市供水、石油化工等領域有著廣泛應用，采用CFD方法研究其內部流動規律并預測外特性，具有節約時間、降低成本、利于分析等優點。

目前的多級離心泵，其各級葉輪和蝸室采用相同結構或相似結構設計，對多級泵的研究主要針對某一級葉輪或某一工況，對各流量工況下各級葉輪的系統性研究較少。本文以首級雙吸葉輪，二、三級 “背靠背”葉輪布置的多級離心泵為研究對象，結構相對復雜，通過實驗對葉輪和各級蝸殼內的壓力、速度分布進行測量較為困難，因此本文采用FLUENT軟件對多級泵內部流場進行三維數值模擬，分析了泵內部速度、壓力等流動參數的變化規律，預測了流量-揚程、流量-軸功率和流量-效率性能曲線，并與實驗所得的性能曲線進行了對比分析。

1 數值計算方法

1.1 幾何模型及網格劃分

利用三維造型軟件Pro/E對多級離心泵進行幾何三維造型，采用Gambit軟件進行了網格劃分。計算用泵主要設計參數如表1所示。

表1 多級泵主要設計和幾何參數

1.2 求解器及方程離散格式的選取

選取realizable k-ε湍流模型，采用壓力耦合方程組的半隱式（SIMPLE）算法求解離散方程，動量方程、湍動能與耗散率輸運方程的離散均采用一階迎風格式。在迭代計算的過程中，通過監測泵進口和出口單位面積平均總壓的穩定程度輔助判斷計算是否收斂。將葉輪區域設為運動坐標系，其他區域設為固定坐標系。把多級泵內流場簡化為葉輪在某一位置的瞬時流場，將非定常問題用定常方法計算。

2 計算結果和分析

2.1 多級泵XY剖面總壓分布

經過計算在450m3/h工況下多級泵XY剖面總壓分布，各流量工況下總壓都是沿著葉輪徑向逐漸增加，經過蝸殼時由于流動損失會稍有降低，其變化趨勢一致;同時各流量工況下泵出口處的總壓有較為明顯的區別：由于各工況下入口總壓近似相同，當流量點較低時其出口總壓較高，故其對應的揚程會較大，對照不同流量點的揚程也發現與此分析相吻合。

2.2 多級泵首級葉輪剖面相對速度和總壓分布圖

從圖1中可以看出，由于小流量工況和蝸舌的影響，蝸舌附近流體有漩渦產生，且隨著流量的不斷增大，流體的擠壓充塞作用越明顯，漩渦的產生得到了抑制，其大小逐漸減小。同時隨著流量的逐漸增大，葉輪內流線分布逐漸均勻，說明流動較穩定。而且較低流量工況下，葉片吸力面附近存在著較為明顯的流動分離現象，隨著流量的逐漸增加，流動分離現象得到了改善。

從圖2中可以看出，葉輪入口處總壓最低，且總壓沿著葉輪徑向逐漸增加，在葉輪出口處總壓最高，經過蝸殼時由于沿程水力損失、漩渦和撞擊等引起的損失影響，總壓會稍有降低。同時由于蝸舌的影響，蝸舌附近葉輪出口處總壓最高且與其他流道內對比分布不均勻。葉輪入口處和葉片吸力面進口稍后處壓力最低，最易發生汽蝕現象，且葉輪內徑向距離相同的位置壓力面側總壓高于吸力面側總壓，故葉輪流道內壓力面和吸力面間也容易產生渦流。對比不同流量點下葉輪內部的總壓，發現當流量較小時對應位置處的總壓較高，隨著流量的增大，葉輪流道內的壓力分布逐漸改善，變得相對均勻;小流量工況下蝸舌附近的總壓分布梯度變化較大。

2.3 多級泵次級葉輪剖面速度

隨著二級葉輪對流體的做功，二級葉輪內的流體總壓高于首級葉輪內流體總壓，同時由于蝸殼內的沿程阻力、流體沖擊等水力損失導致總壓逐漸降低，下一級葉輪入口總壓略低于上一級葉輪出口總壓。速度相較于首級葉輪沒有明顯升高，當上級葉輪排出的流體經過壓水室時，壓水室起到了降低流體速度的作用，使其動能轉化為壓能，同時消除流體的部分旋轉分量使流體以要求的速度和環量進入下一級葉輪。

3 多級泵的水力性能預測和實驗驗證

為驗證數值計算結果的有效性，將計算獲得的多級泵性能結果與實驗測試結果進行了對比分析。多級泵的性能測試在本公司的性能測試平臺上完成。從實驗結果看，揚程的模擬值和實驗值其結果分別為557.82m和575m，相對誤差為3.9%，而在工況點和大流量下數值模擬值與實驗值吻合得較好，誤差較小。總體來看，泵的揚程和效率，數值模擬計算的性能曲線能夠比較準確地反映出多級泵實際性能隨流量的變化趨勢，說明采用CFD技術對多級泵進行數值模擬并預測其外特性是可行的。

4 結論

利用FLUENT 軟件，利用多重參考坐標系和realizable k-ε模型對首級雙吸式多級離心泵的內部流場進行了數值模擬，分析了多級泵內部流場的速度和壓力分布規律。

（1）由于蝸舌的影響，各級葉輪速度與靜壓、總壓分布均呈現非對稱性;在首級葉輪入口和葉片背面（吸力面）進口稍后處壓力最低，最易發生汽蝕現象。

（2）小流量工況下葉輪內容易產生漩渦，隨著流量的逐漸增加，葉輪和蝸殼內漩渦的產生都得到了抑制，且流動逐漸穩定均勻，流動分離現象得到改善。

（3）數值模擬計算與實驗所得到的性能曲線隨流量變化的趨勢一致，采用CFD技術預測多級泵的性能是可行的。

參考文獻

[1]宦月慶，邵春雷，顧伯勤.中比轉數離心泵內部流場的三維數值模擬[J].南京工業大學學報：自然科學版，2010， 32（2）42-5.

[2]柏占偉，裴江紅，胡韶華.離心泵內流場的數值模擬[J].機械設計與制造，2009，6：223-225.

[3]趙斌娟，袁壽其等.雙吸式葉輪內流三維數值模擬及性能預測[J].農業工程學報，2006，22（1）：93-95

[4]李賢華.雙吸式離心泵內部流場數值模擬研究[D].浙江工業大學碩士學位論文，2007（4）.

[5]劉元義，王廣業.低比轉數沖壓多級泵葉輪內三維流動數值模擬[J].農業機械學報，2006.11.

[6]江見福，顧伯勤，邵春雷.多級泵內部流動分析及其性能預測[J].南京工業大學學報（自然科學版），2012（5）.

[7]黃思，王朋，區國惟.多級多出口離心泵的數值模擬及實驗驗證[J].流體機械，2013，41（1）：10-13.

[8]王昌生，李志鵬，陳芳芳，田超華.多級離心泵首級葉輪內部流動的數值模擬[J].水電能源科學，2012，（第6期）.