水力干擾對并聯雙泵性能影響數值模擬分析研究

馮磊，夏栓，陳麗，黃若濤，艾明

（上海核工程研究設計院有限公司，上海200233）

1 背景

泵的性能曲線一般是由制造商在出廠時根據標準規范要求，通過搭建試驗臺架進行測量而得的。國內泵出廠性能試驗標準一般遵循GB/T3216-2016《回轉動力泵水力性能驗收試驗1級、2級和3級》，其泵進口流場一般為均勻來流。泵在實際運行環境中受進口段結構尺寸的影響，進口來流可能為非均勻流動，并且在流體輸送回路中會出現多臺泵并聯運行的情況，從而相互之間形成一定的水力干擾，其實際性能較出廠性能曲線會出現偏差。為預測離心泵在實際使用環境中真實的性能參數，可以借助流體力學仿真手段，對泵的實際運行環境進行水力模型建模，分析得到實際工況下泵的性能參數，從而對實際生產具有指導意義。本文設計了兩種離心泵流體力學仿真模型，分別為：進口為均勻流動的單泵水力模型，以得到近似于離心泵出廠試驗的性能數據；進口為非均勻流動、并聯雙泵水力模型，用來模擬泵的真實使用環境，并與單泵均勻來流的分析結果進行對比，以探尋進口為非均勻來流、雙泵并聯產生的水力干擾對泵性能參數產生的影響。

本文使用Simerics MP+軟件進行流體力學計算分析。Simerics MP+是Simerics公司特別針對泵閥及其它旋轉機械CFD數值模擬而開發的一款專業軟件，具有豐富的泵閥模塊，獨特高效的網格生成模式和全空化模型，計算穩定快速，適用于旋轉機械計算流體力學模擬分析。該軟件已成功應用于諸多離心泵模擬分析案例中[1]，并且在泵閥、航天、汽車、船舶等領域有廣泛的應用。

2 計算模型及設置

本文借鑒了某種成熟型號離心泵的設計尺寸及性能數據，按照1:1的結構比例建立了其水力模型。該原型泵在其額定工況下的運行參數詳見表1。

表1 原型離心泵額定點運行參數

本文在完成該離心泵水力模型的基礎上，分別建立了帶進口充分發展段的均勻來流單泵模型以及進口為非規則結構的非均勻來流、雙泵并聯模型，以分析進口為非均勻來流及雙泵并聯情況帶來的水力干擾對離心泵穩態性能的影響情況。

均勻來流單泵流體力學計算模型主要包括充分發展進口直管段、離心泵以及充分發展出口直管段；非均勻來流雙泵并聯流體力學計算模型主要包括非規則型容器、兩臺并聯離心泵以及充分發展出口直管段；離心泵水力模型主要包括葉輪、導葉、蝸殼以及間隙。

計算模型設置選用了Simerics MP+軟件中的離心泵分析模型；湍流模型選用標準k-ε模型；流體介質設置液相為水，氣相為水蒸汽，溫度25℃；網格劃分按照Simerics MP+軟件的二叉樹加六面體結構網格劃分法，對模型按各個功能構件進行自動網格劃分，并且將各自邊界層進行網格加密；邊界條件設置方面，水力模型進口采用速度邊界條件，出口采用壓力邊界條件。

在網格無關性驗證方面，以待充分發展進口段單泵模型為基準，選取了3套不同密度網格進行敏感性分析，與該成熟型號離心泵出廠性能試驗結果相比較，發現約400萬與500萬網格數計算模型與出廠性能試驗結果符合性較好。綜合考慮模擬分析計算效率及精度，最終選取400萬網格數的網格劃分參數設置進行計算分析。

在模擬分析計算工況點選取方面，以額定流量1780m3/h為基準，設定其為1.0Q，在額定流量點之外，分別選取流量為1.2Q、0.85Q、0.7Q、0.5Q的工況點進行模擬分析計算，得到兩個流體力學分析模型的穩態性能曲線。

3 計算結果分析

3.1 分析結果有效性

為驗證該套離心泵流體力學分析模型的有效性，將進口為均勻流動的單泵水力模型計算分析結果，與該成熟型號離心泵的出廠試驗結果進行對比分析，其流量-揚程、流量-效率對比圖詳見圖1及圖2。

圖1 流量-揚程模擬分析與出廠試驗結果對比圖

圖2 流量-效率模擬分析與出廠試驗結果對比圖

根據流量-揚程、流量-效率分析與試驗結果對比可以發現，進口為均勻流動的單泵水力模型其流量-揚程、流量-效率模擬分析結果與泵廠的出廠試驗結果符合性很好，尤其在額定流量工況點，模擬分析計算得到的揚程與出廠試驗結果偏差僅為0.009%。其他工況點的分析結果符合性也很好，僅在0.5Q流量工況點偏差稍大，約為4%。計算分析所使用湍流模型的局限性可能是造成這種情況的原因，因為標準k-ε模型對于高雷諾數流動分析計算精確度較高，雷諾數降低后，計算精度可能有所降低。

綜合上述分析結果，本文建立的離心泵、進口、出口水力模型及網格結構是有效的。

3.2 水力干擾影響分析

進口為均勻流動的單泵水力模型與進口為非均勻流動、并聯雙泵水力模型的流量-揚程、流量-效率計算結果對比圖詳見圖3及圖4。

圖3 流量-揚程均勻來流與非均勻來流計算結果對比圖

圖4 流量-效率均勻來流與非均勻來流計算結果對比圖

對比進口為均勻流動的單泵水力模型與進口為非均勻流動、并聯雙泵水力模型的流量-揚程分析結果圖3可以發現，進口為非均勻流動、并聯雙泵模型的揚程除在0.5Q工況下，均較進口為均勻流動的單泵模型有所降低，并且泵1揚程下降的幅度較泵2稍大；在0.5Q工況下，單泵均勻來流與雙泵非均勻來流的揚程分析結果相近。隨著流量的增大，雙泵非均勻來流的揚程下降幅度也越加增大，在1.0Q工況下，其與單泵均勻來流相比，差值約為3.7%；在1.2Q工況下，其與單泵均勻來流相比，差值約為4.3%。該趨勢與侯向陶[3]研究泵進口來流產生畸變對其揚程性能產生的影響規律是一致的。

對比進口為均勻流動的單泵水力模型與進口為非均勻流動、并聯雙泵水力模型的流量-效率分析結果圖4可以發現，雙泵并聯時兩臺泵的效率除在0.5Q工況下，均較進口為均勻流動的單泵模型有所降低，并且泵1揚程下降的幅度較泵2稍大，在額定工況1.0Q處，泵1效率與單泵均勻來流相比相差約2.4%。流量-效率的變化趨勢與流量-揚程大致相同。

4 結論

本文進口為均勻流動的單泵水力模型計算結果經與泵廠的出廠試驗數據對比后發現，兩者的符合性很高，僅在小流量工況下有些偏離，這是由于計算分析所使用湍流模型的局限性造成的。因此可以認為本文建立的離心泵、進口、出口水力模型及網格結構是有效的。

對比進口為均勻流動的單泵水力模型與進口為非均勻流動、并聯雙泵水力模型分析結果可以發現，由于進口的非均勻流動以及兩泵并聯設置所帶來的水力干擾作用，對離心泵本身的性能曲線產生了一定的影響。即除小流量工況外，兩臺泵在對應流量工況下，其揚程、效率均較進口為均勻流動的單泵模型略有降低，且泵1降低的幅度略大于泵2；隨著流量的增大，并聯雙泵的揚程下降幅度也稍有增大。

本文對于離心泵的水力模型建模方法、網格劃分方法、模型邊界條件及流體計算方法設置可供其他離心泵在實際運行環境下的性能參數模擬仿真進行借鑒、參考。