無后置導葉軸流泵瞬態空化流場的數值分析

2020-07-24 05:56:46梁武科吳子娟魏清希賀登輝

中國農村水利水電 2020年7期

侯聰，梁武科，吳子娟，魏清希，賀登輝

(1.中國能源建設集團西北電力試驗研究院有限公司，西安 710032；2.西安理工大學水利水電學院，西安 710048； 3.西安泵閥總廠有限公司，西安 710025)

軸流泵內部的壓力脈動會造成泵的運行不穩定，甚至加劇機組結構的振動[1]。在軸流泵正常運行的過程中，軸流泵葉輪與導葉之間的局部動靜干涉、局部空化及葉輪脫流等因素都非常有可能直接引起軸流泵內部的壓力脈動。為了有效保證軸流泵在正常運行過程中的穩定性，對于軸流泵內部壓力周期性脈動現象的研究對軸流泵機組在工業優化設計及實際工程實踐中都具有十分重要的意義[2]。

軸流泵內部的壓力脈動現象的基礎研究主要從軸流泵理論基礎分析、數值模擬計算及軸流泵試驗的研究3個方面深入進行。隨著計算流體動力學(CFD)及高速攝影技術的發展，數值計算模擬與軸流泵的試驗研究相互結合的方式對于軸流泵內部的瞬態空化流動逐漸成為趨勢[3]。文獻[4,5]通過數值計算研究了潛水軸流泵、可調導葉式軸流泵的壓力脈動特性，得出軸流泵內部的壓力脈動頻率與葉片通過頻率一致。文獻[6,7]對由于軸流泵空化流誘導的葉輪壓力脈動、軸流泵葉片區的空化和壓力脈動的影響進行了數值分析，得出了軸流泵葉片區的壓力流動受空化影響嚴重。文獻[8-11]中采用軸流泵試驗研究的分析方法，通過軸流泵的試驗發現葉輪與導葉間的動靜干涉關系及導葉的葉片數對于軸流泵內部的葉輪壓力脈動的影響不大。本文以無后置導葉軸流泵TZX-700為研究對象，對軸流泵的瞬態空化流場作數值模擬計算，分析軸流泵的壓力脈動特性，揭示軸流泵在空化流下內部流場壓力脈動規律。

1 幾何模型與數值計算方法

1.1 幾何模型

TZX-700型軸流泵的比轉速ns=1 037，設計流量Qd=6 100 m3/h，揚程H=5 m，轉速n=730 r/min，葉輪直徑D=658 mm，輪轂直徑dh=310 mm，葉片數Z=5。軸流泵的計算域由進口段喇叭管、葉輪及出口彎管段組成，主要水力部件三維實體如圖1所示。

圖1 臥式軸流泵三維實體圖

1.2 計算網格

主要計算域的網格質量對于數值計算的結果至關重要，對軸流泵模型采用六面體結構化網格劃分。為了保證主要的計算域y+<200，并通過網格無關性的驗證，最終可以確定軸流泵計算域的總網格數量為2 166 815[12]。具體網格信息如表1所示，主要計算域的六面體結構化網格如圖2所示。

表1 臥式軸流泵計算域網格數量

圖2 軸流泵主要計算域網格

1.3 數值計算方法

1.3.1 湍流模型

SST湍流模型數值分析整合了標準湍流模型k-ε模型和標準湍流模型k-ω模型的各自特點和優勢，相較于其他的各種湍流模型，在進行數值計算的過程中，SST湍流數值計算模型對于各種低揚程、大流量軸流泵的數值計算分析精度明顯高于其他湍流模型[3]。

其渦黏系數μt的方程為：

(1)

耗散率ω和湍動能k的輸運方程為：

(2)

(3)

式中：a1為經驗常數，其取值為：a1=5/9。

兩個湍流模型的線性組合即為湍流物理量的瞬時值φ：

φ=F1φkω+(1-F1)φkε

(4)

1.3.2 邊界條件

數值計算使用CFX17.0商用軟件，邊界條件設置如下。

(1)設置軸流泵的進口條件為總壓進口的方式，出口設定為恒定的出口質量流量；

(2)近壁面的流動，采用了標準的壁面流動函數；

(3)旋轉域與靜止域之間的耦合方式，選擇 “Frozen Rotor” 模式。

1.3.3 非定常數值計算方法

軸流泵葉輪與進口喇叭管和出口彎管存在動靜交界面，如圖3所示，分別為截面1、截面2，監測點的位置均布于該截面上。在截面1上，由輪轂至輪緣為監測點P1～P5；在截面2上，由輪轂至輪緣為監測點P6～P10。

1-進口段；2-葉輪；3-出口段

對該類軸流泵的壓力脈動進行非定常的數值計算，基本參數及相關設置如表2所示。

表2 壓力脈動數值計算基本參數及設置

2 計算結果分析

2.1 空化體積分數變化分析

在瞬態空化流場的數值計算過程中，加入時間參數，軸流泵內部空化流場是隨時間而變化的動態過程。為了清楚的展示設計工況下葉片表面空化體積分數的變化過程，如圖4所示，軸流泵葉輪葉片吸力面的空化體積分數云圖隨旋轉時間的分布及其變化過程。在軸流泵葉輪葉片旋轉45°時，即1/8T時對其軸流泵葉片表面的空化體積分數分布情況進行了展示。

圖4 軸流泵葉片吸力面空化體積分數分布

軸流泵在運行過程中，葉輪葉片工作面的壓力值要高于葉片背面的壓力值，空化是否發生與壓力直接相關。故對軸流泵進口壓力為0.1 MPa時葉片背面(吸力面)的空化區域分布變化情況進行研究。如圖4所示，葉片表面的空化區域主要集中在靠近葉片進口邊的葉頂處，說明該區域位置的壓力值在整個葉片表面最低，容易造成空化現象的發生。

從圖4中可以看出，軸流泵葉輪的旋轉方向為逆時針，在葉輪由1/8T到8/8T的一個旋轉周期內，5個葉片表面的空化區域面積及分布位置保持不變。說明軸流泵在實際運行過程中，流量、壓力、溫度等參數固定，即某一穩定工況運行時，軸流泵內部的空化流場也是穩定的，不會隨葉輪旋轉時間的變化而發生變化。

2.2 葉輪進口壓力脈動特性分析

采用軸流泵的壓力脈動幅值系數來分析該軸流泵在空化流動下的壓力脈動特性，采用壓力脈動系數Cp表示壓力脈動幅值，定義為[13]：

(5)

定義旋轉周期數：

(6)

式中：t為壓力脈動信號采集時間；T為葉輪旋轉一周的時間。

由圖5可知，在葉輪進口截面1的不同監測點，壓力脈動頻譜圖的變化規律基本一致，但各頻譜壓力脈動特性的系數值仍然存在較大的差異。在軸流泵運行工況為小流量工況0.9Qd時，從監測點P2到P4，壓力脈動系數的峰值逐漸地減小；在設計流量工況1.0Qd時，監測點P3、P4的壓力脈動系數的峰值基本相等，且峰值均小于監測點P2的壓力脈動系數峰值；當軸流泵的運行工況為大流量工況1.1Qd時，監測點P3、P4的壓力脈動系數的峰值基本一致，峰值均小于監測點P2的壓力脈動系數峰值。通過上述的分析可以發現，在同一運行工況下不同的監測點位置的壓力脈動幅值也存在較大的差異，且監測點P2壓力脈動幅值比監測點P3、P4的壓力脈動幅值大，這其中可能原因是在P2監測點靠近輪轂處存在漩渦脈動區，因而可以使該區域的壓力脈動幅值增強，對應頻率的壓力脈動幅值也增大[10]。

圖5 葉輪進口截面1監測點壓力脈動頻域圖

同時可以明顯地發現，軸流泵葉輪的進口壓力脈動頻域圖中包含0.3倍左右的葉頻，造成這種葉片擾動現象的一個重要原因可能是由于葉片對來流的壓力擾動在水流進入葉輪之前就已經發生[14]，該軸流泵的結構性能、內部流態和空化等諸多因素造成了這一現象。通過圖5和計算發現，在截面1的監測點P2、P3、P4捕捉到的主頻為軸流泵的轉頻。

2.3 葉輪出口壓力脈動特性分析

從圖6中可以清楚地看出，在小流量工況0.9Qd下，從監測點P7到P9，壓力脈動系數的峰值逐漸地增大；在設計流量工況1.0Qd時，監測點P7、P8的壓力脈動系數峰值基本相等，且峰值均小于監測點P9的壓力脈動系數峰值；當軸流泵的運行工況為大流量工況1.1Qd時，監測點P7、P8的壓力脈動系數峰值基本一致，峰值均小于監測點P9的壓力脈動系數峰值。通過上述對軸流泵在不同流量工況下的壓力脈動頻域圖的分析可以發現，軸流泵輪轂到輪緣的監測點P7～P9的壓力脈動變化規律基本一致。