基于大渦模擬的輸油泵性能預(yù)測(cè)及內(nèi)流場(chǎng)分析

張 興，孫 宇，毛艷虹，王文博

（1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán) 北方管道公司 管道科技研究中心，河北 廊坊 065000；2.國(guó)家能源油氣長(zhǎng)輸管道技術(shù)裝備研發(fā) （試驗(yàn)）中心，河北 廊坊 065000；3.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán) 北方管道公司有限公司 秦皇島輸油氣分公司，河北 秦皇島 066004；4.江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；5.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán) 山東輸油有限公司，山東 日照 276800）

輸油泵是石油化工等行業(yè)中重要的動(dòng)力設(shè)備，其性能對(duì)整個(gè)原油運(yùn)輸系統(tǒng)有重要影響。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，輸油泵的選型、安全性和節(jié)能技術(shù)引起了眾多學(xué)者的關(guān)注［1-3］。 張燕斌等［4］通過試驗(yàn)測(cè)試分析了不同運(yùn)輸介質(zhì)下輸油泵的振動(dòng)情況，最后得出輸送汽油時(shí)泵振動(dòng)幅度比輸送柴油大的結(jié)論。Lin W B等［5］探究了在長(zhǎng)距離輸油系統(tǒng)中油泵的振動(dòng)情況，研究結(jié)果表明，油泵的振動(dòng)程度與油品種類相關(guān)，輕質(zhì)油的振動(dòng)最明顯，相鄰的泵一起運(yùn)行時(shí)振動(dòng)最劇烈。歐永紅等［6］對(duì)輸油泵運(yùn)行過程中可能會(huì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行了分析，并針對(duì)故障原因給出了相應(yīng)的解決對(duì)策。魏升龍等［7］通過分析雙吸泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，探究了煉油裝置中雙吸泵的安放位置以及注意事項(xiàng)。He Shanghong等［8］以變排量葉片油泵為研究對(duì)象，探究了溫度對(duì)油泵泄漏量的影響，結(jié)果表明溫度越低，泄漏量越小。

近年來(lái)，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)日益成熟，成為了可以有效預(yù)測(cè)泵性能和內(nèi)部流動(dòng)特性的方法。為探究轉(zhuǎn)子與泵體的徑向間隙對(duì)泵流動(dòng)特性的影響，代光輝等［9］應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)不同間隙的輸油泵進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)泵出口壓力隨著間隙增大而逐漸減小。傅劍輝等［10］采用FLUENT軟件研究了幾個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)中開式輸油泵數(shù)值計(jì)算的影響，經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，速度進(jìn)口和自由出流的邊界條件更易收斂。譚東杰等［11］基于FLUENT軟件研究了導(dǎo)葉與葉片數(shù)的匹配關(guān)系對(duì)中開式輸油泵的影響，研究表明，導(dǎo)葉相位角為30°、導(dǎo)葉葉片數(shù)為10時(shí)輸油泵的效率最高。晁文雄等［12］采用大渦模擬（LES）湍流模型對(duì)多工況的燃油離心泵進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明燃油離心泵在大流量和高轉(zhuǎn)速時(shí)運(yùn)行更穩(wěn)定。宋冬梅等［13］采用ANSYS CFX軟件對(duì)雙吸離心泵進(jìn)行數(shù)值模擬，并將預(yù)測(cè)的計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。曾維國(guó)等［14］對(duì)設(shè)計(jì)工況下的雙吸油泵進(jìn)行非定常數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，葉輪與蝸殼的動(dòng)靜干涉對(duì)隔舌斷面附近的渦型影響較大，蝸殼擴(kuò)散段內(nèi)的靜壓受葉輪和蝸殼的動(dòng)靜干涉出現(xiàn)周期性波動(dòng)變化規(guī)律。白利等［15］研究了不同流量工況下雙吸泵的湍流流場(chǎng)，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，湍動(dòng)能在設(shè)計(jì)工況下最小，渦黏系數(shù)的變化與湍動(dòng)能的變化規(guī)律一致。李永樂等［16］對(duì)雙吸輸油泵進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了其壓力和速度分布規(guī)律，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬的準(zhǔn)確性。張鳳麗等［17-25］對(duì)輸油泵的性能及流動(dòng)進(jìn)行了研究分析。

文中以一輸油泵為例，采用ANSYS CFX軟件，對(duì)設(shè)計(jì)工況下該輸油泵的性能和內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

1 輸油泵性能計(jì)算模型

輸油泵設(shè)計(jì)體積流量3 100 m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程190 m，轉(zhuǎn)速2 990 r/min，比轉(zhuǎn)速 140。兩葉輪背靠背對(duì)稱布置，葉輪進(jìn)口直徑250 mm，葉輪出口直徑436 mm，葉輪葉片數(shù)為6片，導(dǎo)葉葉片數(shù)為10片。通過Pro/E軟件分別對(duì)輸油泵全流道計(jì)算域的進(jìn)口延長(zhǎng)段、吸水室、葉輪、導(dǎo)葉、蝸殼和出口延長(zhǎng)段進(jìn)行建模，見圖1。

圖1 輸油泵全流道計(jì)算域模型

采用ICEM軟件對(duì)輸油泵計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，主要部件葉輪、導(dǎo)葉和蝸殼的網(wǎng)格劃分見圖2。輸油泵計(jì)算域模型總網(wǎng)格數(shù)為1.25億，各部件網(wǎng)格信息見表1。

圖2 輸油泵計(jì)算域主要部件網(wǎng)格劃分

表1 輸油泵計(jì)算域各部件網(wǎng)格信息

2 輸油泵性能計(jì)算方案

2.1 湍流模型及控制方程

對(duì)輸油泵模型先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，以穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果為初始值進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。

穩(wěn)態(tài)計(jì)算選取k-ω（k為湍動(dòng)能，ω為比耗散率）湍流模型，瞬態(tài)計(jì)算選取LES湍流模型，亞格子模型選用WALE。

2.1.1 k-ω湍流模型

k-ω湍流模型描述了基于湍動(dòng)能k和比耗散率ω的輸運(yùn)方程，其輸運(yùn)方程為：

式中，k 為湍動(dòng)能，m2/s2；ω 為比耗散率，1/s；t為時(shí)間，s；xi、xj分別為 i方向、j方向的矢量；ρ為流體密度，kg/m3；ui為速度，m/s；Гk為湍動(dòng)能擴(kuò)散系數(shù)；Gk、Yk、Sk、Gω、Yω、Sω、Dω為相關(guān)產(chǎn)生項(xiàng)及用戶自定義源項(xiàng)。

2.1.2 LES湍流模型

LES湍流模型是一種介于直接數(shù)值模擬模型和雷諾平均模擬模型之間的湍流模型，其對(duì)瞬態(tài)N-S方程進(jìn)行濾波處理，對(duì)于網(wǎng)格尺度大的湍流運(yùn)動(dòng)通過N-S方程直接計(jì)算，對(duì)于小尺度渦則通過模型體現(xiàn)。經(jīng)濾波處理的控制方程表示如下。

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

其中

2.2 邊界條件和求解設(shè)置

輸油泵計(jì)算模型入口處采用壓力進(jìn)口邊界條件，出口處采用質(zhì)量流量出口邊界條件，壁面邊界定義為無(wú)滑移粗糙壁面，粗糙度為0.25 μm。計(jì)算介質(zhì)為油，其密度為 840 kg/m3、動(dòng)力黏度為1 340×10-5Pa·s。穩(wěn)態(tài)計(jì)算采用高階求解模式，最大迭代步數(shù)為2 000，收斂精度為10-6。瞬態(tài)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)2.78×10-4s（即葉輪旋轉(zhuǎn)1°所用的時(shí)間），共計(jì)算5個(gè)旋轉(zhuǎn)周期。

3 輸油泵性能計(jì)算結(jié)果分析

3.1 外特性分析

輸油泵的揚(yáng)程H、效率η計(jì)算公式分別為：

式中，pout為輸油泵出口總壓，pin為輸油泵進(jìn)口總壓，Pa；g 為重力加速度，m/s2；Δz為進(jìn)出口高度差，m；qV為當(dāng)前工況的體積流量，m3/s；M 為作用在葉輪表面的力矩之和，N·m；Ω為葉輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。

經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算，該輸油泵計(jì)算揚(yáng)程為205 m，滿足設(shè)計(jì)相關(guān)要求，可見LES可以較好地預(yù)測(cè)該輸油泵的性能。

輸油泵水力部件效率計(jì)算結(jié)果見表2。從表2可以看出，吸水室水力損失很小，效率較高，達(dá)99.87%。葉輪的效率接近95%，說(shuō)明吸水室與葉輪的水力模型匹配較理想。導(dǎo)葉的效率較其他部件效率偏低，但仍超過90%，蝸殼效率損失也在正常范圍內(nèi)。

表2 輸油泵水力部件效率計(jì)算結(jié)果

3.2 內(nèi)流場(chǎng)分析

3.2.1 y+分布

y+表示量綱一壁面距離，直接影響第一層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置。在CFD計(jì)算中，LES對(duì)壁面網(wǎng)格要求較高，第一層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在壁面的黏性底層，即要求y+＜1。

輸油泵葉輪葉片y+分布見圖3。由圖3可知，葉輪葉片壁面的y+均小于1，滿足要求。

圖3 輸油泵葉輪葉片y+分布

3.2.2 壓力分布

設(shè)計(jì)工況下不同湍流模型計(jì)算得到的輸油泵全流道中間截面壓力分布情況見圖4，葉輪和導(dǎo)葉中間截面壓力分布見圖5。

圖4 設(shè)計(jì)工況下不同湍流模型計(jì)算得到的輸油泵全流道中間截面壓力分布

從圖4看出，2種湍流模型計(jì)算得到的壓力分布趨勢(shì)相同，均為進(jìn)口處壓力低，出口處壓力高。

分析圖5可以發(fā)現(xiàn)，由于葉輪旋轉(zhuǎn)做功，葉輪流道內(nèi)液體壓力沿著徑向逐漸增高，變化梯度平穩(wěn)，在葉輪與導(dǎo)葉交匯處達(dá)到最大值。隨著導(dǎo)葉流道的過流面積逐漸增大，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，壓力在導(dǎo)葉流道內(nèi)進(jìn)一步升高，因此導(dǎo)葉出口邊壓力高于進(jìn)口邊壓力。壓力梯度變化最大出現(xiàn)在葉輪與導(dǎo)葉交匯處，預(yù)示此處損失嚴(yán)重。對(duì)比圖5a、圖5b可知，相較于k-ω湍流模型，LES湍流模型計(jì)算得到的從葉輪到導(dǎo)葉的壓力變化梯度更明顯。

3.2.3 速度分布

設(shè)計(jì)工況下不同湍流模型計(jì)算得到的輸油泵全流道流線圖見圖6。

圖5 設(shè)計(jì)工況下不同湍流模型計(jì)算得到的輸油泵葉輪和導(dǎo)葉中間截面壓力分布

圖6 設(shè)計(jì)工況下不同湍流模型計(jì)算得到的輸油泵全流道流線圖

由圖6可以看出，全流道進(jìn)口段流線平穩(wěn)，出口段流線較紊亂，LES湍流模型計(jì)算得到的出口段紊亂程度比k-ω湍流模型的嚴(yán)重。

設(shè)計(jì)工況下不同湍流模型計(jì)算得到的輸油泵全流道中間截面相對(duì)速度分布見圖7。從圖7a可以發(fā)現(xiàn)，采用k-ω湍流模型計(jì)算得到的葉輪、導(dǎo)葉、蝸殼附近相對(duì)速度變化較均勻。而圖7b顯示，在葉輪、導(dǎo)葉和蝸殼附近出現(xiàn)許多小渦，可見采用LES湍流模型計(jì)算能更真實(shí)地反映輸油泵內(nèi)部的流動(dòng)情況。

圖7 設(shè)計(jì)工況下不同湍流模型計(jì)算得到的輸油泵全流道中間截面相對(duì)速度分布

為進(jìn)一步了解葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)部的流動(dòng)情況，給出了設(shè)計(jì)工況下不同湍流模型計(jì)算得到的葉輪和導(dǎo)葉中間截面的相對(duì)速度分布，見圖8。從圖8可以看出，葉輪內(nèi)相對(duì)速度比導(dǎo)葉的大，葉輪葉片出口處的相對(duì)速度大于葉片進(jìn)口處的，LES湍流模型計(jì)算得到的相對(duì)速度分布更清晰。

圖8 設(shè)計(jì)工況下不同湍流模型計(jì)算得到的輸油泵葉輪和導(dǎo)葉中間截面相對(duì)速度分布

從圖9所示的導(dǎo)葉葉片絕對(duì)速度流線局部放大圖也可以看出，LES湍流模型能較好地反映出分離流動(dòng)，導(dǎo)葉流道內(nèi)漩渦主要由葉片前緣誘導(dǎo)產(chǎn)生，并沿著導(dǎo)葉流道向下游延伸和發(fā)展。

圖9 設(shè)計(jì)工況下不同湍流模型計(jì)算得到的輸油泵導(dǎo)葉葉片絕對(duì)速度流線局部放大圖

4 結(jié)語(yǔ)

采用ANSYS CFX軟件，分別應(yīng)用k-ω湍流模型和LES湍流模型對(duì)設(shè)計(jì)工況下的輸油泵進(jìn)行性能預(yù)測(cè)和內(nèi)部流場(chǎng)分析，分析結(jié)果表明，①采用LES湍流模型模擬計(jì)算得到的輸油泵揚(yáng)程符合設(shè)計(jì)要求，各部件水力效率較高。因此采用CFD技術(shù)進(jìn)行泵的性能預(yù)測(cè)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。②輸油泵葉輪進(jìn)口處壓力低，導(dǎo)葉出口處壓力高。通過LES湍流模型計(jì)算得到的葉輪內(nèi)低壓區(qū)范圍更大，葉輪出口處到導(dǎo)葉進(jìn)口處的壓力過渡更均勻。③在葉輪和蝸殼處，應(yīng)用LES湍流模型得到的內(nèi)部流動(dòng)情況比k-ω湍流模型的更符合實(shí)際。采用LES湍流模型計(jì)算可以明顯看到葉輪葉片出口處形成的速度渦。