制堿流程中新型冷析循環泵葉輪空蝕分析

李寶良，管迎冬，范振興

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

在化工生產行業中，泵是生產流程中的關鍵設備.由于所處環境惡劣，泵的抗腐蝕、抗磨、抗空蝕能力是衡量其性能的重要指標.尤其是由于空蝕，將造成泵葉輪的嚴重破壞，以致其失去傳輸介質功能.

循環泵廣泛應用于燒堿、純堿、磷銨、酒精等化工行業中，其作用是在料液進行濃縮結晶時提供循環動力，促進料液循環，同時提高料液在蒸發過程中的傳熱系數，加快循環蒸發結晶，達到節能增產的目的.在我國的制堿流程系統中，冷析循環泵是其中的核心設備，在生產過程中起到至關重要的作用.目前我國制堿生產過程(即氯化氨生產過程)中使用的冷析結晶器循環泵，幾乎都采用軸流式的循環泵，然而此類軸流泵在使用過程中卻存在很多問題，主要包括流量不足、效率低、進口存在預旋、密封不可靠、汽蝕等［1］.為此，設計了一種新型混流式冷析循環泵.

本文以某一新型制堿流程中冷析循環泵(混流泵)為研究對象，應用CFD軟件進行數值仿真計算，研究離心泵內部流場分布及空化現象，為冷析循環泵(以下稱混流泵)的優化設計研究提供理論依據，指導冷析循環泵工程設計.

1 模型建立及邊界條件

1.1 混流泵內部流場區域的建立

應用PROE軟件，經過合理簡化，建立混流泵葉輪的三維模型如圖1所示，全流道三維模型如圖2所示.

圖1 葉輪的三維模型

圖2 流道三維模型

1.2 網格劃分

計算網格的合理設計和高質量生成是CFD計算的前提條件，同時也是影響CFD計算的關鍵因素之一［2］.采用FLUENT軟件中的GAMBIT模塊對混流泵全流道進行網格劃分，由于流道結構較為復雜，因此采用混合網格，劃分好網格總體質量良好，如圖3所示.

圖3 混流泵計算網格

1.3 邊界條件

采用湍流模型中的κ－ε為標準模型［3］，對混流泵的葉輪區域與蝸殼區域的動靜耦合運算采用動參考坐標模型;離心泵的工作環境壓為一個大氣壓，設計工況流量為0.829 3 m3/s，葉輪轉速580 r/min，根據這些數據設定混流泵進出口邊界及壁面等邊界條件的具體參數，求解方法采用SIMPLE算法.進口邊界條件采用速度進口邊界條件，出口邊界條件采用出流邊界條件，固壁條件采用無滑移的壁面邊界條件.

2 結果及分析

2.1 速度矢量變化

經過分析，得出葉輪葉片壓力面和吸力面在不同流量情況下的速度矢量分布如圖4～圖7所示.

圖4 Q=0.663 5 m3/s葉片速度矢量分布

圖5 Q=0.729 8 m3/s葉片速度矢量分布

圖6 Q=0.829 3 m3/s葉片速度矢量分布

圖7 Q=0.895 7 m3/s葉片速度矢量分布

從圖中看出流體在葉輪內總的流動趨勢良好，沒有明顯的斷流、渦流現象，說明葉片的曲率、安放角設計合理.另外葉輪壓力面和吸力面流動速度從葉輪進口到出口不斷地減小，進口處有小的沖擊，同時在輪緣處有局部高速區，容易產生旋渦，易發生空蝕，這與泵實際運行時發生空蝕的位置相吻合.

同時從圖中可以看出壓力面的速度分布較為均勻，輪緣處的速度較輪轂處的速度大，并且隨著流量的增加，輪緣處的高速區逐漸減少，當流量增加到設計工況時速度梯度很小.吸力面的整體速度分布也是較為均勻的，圖中葉輪吸力面進口區前端顯示出較為分散的小的速度量，這是由于葉片寬度和沖角引起的，當流量達到Q=0.729 8 m3/s時吸力面入口區域有小的漩渦產生，當流量進一步增大后，漩渦消失，說明選擇適當的流量可以減少產生漩渦的機會.隨著流量的增加，高壓區越趨向于葉輪進口區域靠近輪緣處1/3的區域，與實際運行時空蝕的位置相吻合.為了避免或減少空蝕產生，可以適當地減小葉片進口處厚度，使得葉片進口流體的流動盡量接近流線型，從而使泵的抗空蝕性能得到改善.

2.2 葉片湍動能、湍流強度和湍流耗散率

經過分析，得出葉輪葉片的湍動能、湍流強度和湍流耗散率的分布云圖如圖8～圖10所示.

圖8 Q=0.829 3 m3/s葉片湍動能分布

圖9 Q=0.829 3 m3/s葉片湍流強度分布

圖10 Q=0.829 3 m3/s葉片湍流耗散率分布

從圖中看出，葉輪葉片的湍動能、湍流強度和湍流耗散率都具有相似的分布規律.不管是壓力面還是吸力面，都是進口處的湍動能、湍流強度和湍流耗散率最大，在相同流量工況下，吸力面的湍動能、湍流耗散率和湍流強度值比壓力面大，并且壓力面的梯度分布較吸力面均勻，說明吸力面比壓力面更容易產生空蝕.湍動能、湍流強度和湍流耗散率值一般在葉片進口區域至葉片1/3處較大，并且最大值一般出現在葉片進口邊附近的中心區域，而輪緣和輪轂處的值則相對較小.這與葉輪葉片發生氣蝕的位置相吻合.合理設計葉片進口邊的位置和葉片進口部分的形狀，將會改善泵的抗空蝕能力.

3 結論

(1)應用Pro/E對冷析循環泵內部流場的建模過程中，對原型冷析循環泵進行了合理的簡化調整，從最終仿真的結果可以看到對模型的簡化是合理的;

(2)循環泵內流體流動時，沒有明顯的渦流、回流和二次流現象，說明葉輪設計較為合理;同時在葉片的進口區域附近沒有產生明顯的沖擊現象，說明安放角設計較為合理;

(3)葉輪壓力面和吸力面流動速度從葉輪進口到出口不斷地減小，進口處有小的沖擊，同時在輪緣處有局部高速區，容易產生旋渦，易發生空蝕，且吸力面比壓力面更容易產生空蝕.

［1］楊敏官，李忠.軸流式強制循環泵的研究現狀［J］.流體機械，2006，34(5):31-33.

［2］楊軍虎，吳俊輝，張人會，等.無過載離心泵內部流場的三維數值模擬［J］.蘭州理工大學學報，2009，35(1):41-45.

［3］張淑佳，李賢華，朱保林，等.k－ε渦粘湍流模型用于離心泵數值模擬的適用性［J］.機械工程學報，2009，45(4):238-242.

［4］J G WISSINK.DNS of separating low Reynolds number flow in turbine cascable with incoming wakes［J］.International Journal of Heat and Fluid Flow，2003，24(4):626-635.