離心泵內(nèi)變工況流動(dòng)特性的數(shù)值研究

田輝，房媛，王文成，鄒克武

(1．承德石油高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系，河北承德067000; 2．承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)生處，河北承德067000)

離心泵內(nèi)變工況流動(dòng)特性的數(shù)值研究

田輝1，房媛2，王文成1，鄒克武1

(1．承德石油高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系，河北承德067000; 2．承德石油高等專科學(xué)校學(xué)生處，河北承德067000)

通過Fluent軟件對(duì)某單級(jí)單吸渦殼離心泵內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行了變工況定常數(shù)值模擬，數(shù)值模擬值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好。在此基礎(chǔ)上分析流道內(nèi)相對(duì)速度分布及總壓分布情況。并探討了軸向渦隨流量的變化特征及葉輪與渦舌相對(duì)位置變化對(duì)流動(dòng)的影響。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，隨著流量的增加流道出口相對(duì)速度增加，總壓降低，流道內(nèi)軸向渦有所減小?？拷鼫u舌流道的流量較大，而遠(yuǎn)離渦舌的則較小。這種流動(dòng)狀態(tài)沿葉輪周向分布不均勻現(xiàn)象是普遍存在的，且在非設(shè)計(jì)工況下表現(xiàn)得更明顯。

變工況;數(shù)值模擬;渦舌;Fluent

一般認(rèn)為離心泵內(nèi)部的流動(dòng)是一種全三維的湍流流動(dòng)。由于葉輪旋轉(zhuǎn)、葉輪自身曲率的劇烈變化及液體的粘性綜合作用，泵內(nèi)流場(chǎng)普遍存在流動(dòng)分離、二次流現(xiàn)象［1］;加之渦殼幾何的不對(duì)稱性及葉輪與渦殼的動(dòng)靜干涉作用使得葉輪出口呈現(xiàn)“射流/尾跡”結(jié)構(gòu)，流場(chǎng)速度，壓力脈動(dòng)明顯，流動(dòng)表現(xiàn)出明顯的非定常特性［2］。然而在實(shí)際應(yīng)用中離心泵經(jīng)常被迫工作在非設(shè)計(jì)工況狀態(tài)下，泵內(nèi)流動(dòng)進(jìn)一步惡化，流動(dòng)分離、脈動(dòng)加劇。這樣不但會(huì)引起效率下降，還將導(dǎo)致震動(dòng)和噪聲，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的使用壽命［3-6］。目前理論分析和試驗(yàn)測(cè)量還很難得到泵內(nèi)具體的流動(dòng)細(xì)節(jié)，通過數(shù)值模擬的方法來研究變工況下離心泵內(nèi)的流動(dòng)特性就顯得尤為重要了。本文應(yīng)用Fluent軟件對(duì)離心泵進(jìn)行了變工況定常數(shù)值模擬，通過對(duì)0．80QD、QD(設(shè)計(jì)流量)、1．20QD等三個(gè)不同工況數(shù)值模擬結(jié)果的分析得出離心泵內(nèi)不同工況下流動(dòng)的一般規(guī)律。

1　離心泵的幾何結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)

本文采用某單級(jí)單吸渦殼離心泵作為計(jì)算模型，其主要的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)如圖1所示。葉輪由7片后彎葉輪組成，葉片出口安放角為26°，吸入口直徑140 mm，設(shè)計(jì)流量為59 kg/s。

2　數(shù)值計(jì)算方法

2．1控制方程及湍流模型

離心泵內(nèi)的液體的流動(dòng)屬于三維粘性不可壓縮流動(dòng)，任意曲線坐標(biāo)系下Navier-Stokes方程可簡(jiǎn)化為:

式中:ui為泵內(nèi)流動(dòng)速度、p為靜壓、ν為流體動(dòng)力粘性系數(shù)、ρ為流體密度反應(yīng)哥氏力及離心力的影響。引入雷諾平均，Boussinesq假設(shè)，標(biāo)準(zhǔn)k－ε湍流模型后，控制方程轉(zhuǎn)化為:

2．2計(jì)算網(wǎng)格

針對(duì)扭曲型葉片曲率變化大的特點(diǎn)，采用三角形網(wǎng)格對(duì)葉輪表面進(jìn)行了局部加密，使得網(wǎng)格貼體性更好;計(jì)算區(qū)域內(nèi)部采用四面體網(wǎng)格。計(jì)算區(qū)域由入口延伸段、葉輪、渦殼三部分組成，網(wǎng)格數(shù)分別為24 408、280 932、168 345。圖2為計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格示意圖。

2．3計(jì)算設(shè)置

泵的入口給定質(zhì)量流量，方向垂直于入口截面。入口延伸段的設(shè)置使入口條件均勻傳遞到泵流場(chǎng)內(nèi)部，有利于加速收斂。出口給定靜壓。固體壁面采用無滑移邊界條件。計(jì)算過程采用多重參考坐標(biāo)系(Multiple Reference Frame)技術(shù)分別處理旋轉(zhuǎn)的葉輪部分及靜止的入口延伸段和渦殼部分?jǐn)?shù)據(jù)交換。SIMPLEC算法求解流場(chǎng)。

3　計(jì)算結(jié)果及分析

數(shù)值模擬結(jié)果顯示模擬值與實(shí)驗(yàn)值趨勢(shì)吻合良好，效率的最大偏差小于3%，揚(yáng)程最大偏差小于3．5 m，詳細(xì)對(duì)比參見參考文獻(xiàn)［5］，從而可以驗(yàn)證本文所采用數(shù)值方法的正確性。

3．1流道內(nèi)相對(duì)速度分布特性

圖3給出了三個(gè)不同工況下離心泵中葉展處相對(duì)速度的分布及流線分布情況。圖中可見葉輪流道內(nèi)相對(duì)速度總體上呈現(xiàn)出由壓力面向吸力面逐漸增大的趨勢(shì)，但不同流道內(nèi)相對(duì)速度分布差異明顯。靠近蝸殼出口的流道壓力面附近的低速區(qū)較小。

圖4給出了三個(gè)不同工況下流道(以圖1所示流道6為例)內(nèi)相對(duì)速度等值線圖。由圖4可見三個(gè)工況流道內(nèi)的流動(dòng)趨勢(shì)極其相似。葉輪的排擠作用均勻的施加在靠近壓力面的液體上，流道內(nèi)相對(duì)速度呈現(xiàn)出由壓力面向吸力面逐漸增加的趨勢(shì)。在入口附近由于葉片的排擠作用對(duì)液體影響較小，相對(duì)速度自流道中線區(qū)域向壓力面吸力面逐漸減小。在0．8 QD和QD工況葉片壓力面?zhèn)扔休^明顯的軸向渦存在，但隨著流量的增加軸向渦有減小的趨勢(shì)。在1．2 QD時(shí)軸向渦已經(jīng)不明顯了。圖中還可以看出隨著流量的增加，葉輪出口相對(duì)速度也有所增加。

3．2流道內(nèi)總壓分布特性

圖5所示為流道6(以圖1所示流道6為例)壓力分布等值線圖。計(jì)算過程取葉輪入口處為參考?jí)毫c(diǎn)，參考?jí)毫υO(shè)為101 325 Pa。流道內(nèi)總壓從入口到出口逐漸增大，在壓力面尾緣達(dá)到最大值，隨著流量的增加出口總壓逐漸減小。小流量的工況下，由于軸向渦在吸力面?zhèn)鹊牧魉倥c主流速度方向相同對(duì)吸力面?zhèn)纫后w起一定的加速作用，所以導(dǎo)致流道內(nèi)同半徑處吸力面?zhèn)瓤倝郝愿叩默F(xiàn)象。隨著流量的增加這種流道內(nèi)同半徑處總壓分步不均勻現(xiàn)象逐漸減小。前面已經(jīng)討論過，隨著流量的增加軸向渦有逐漸減小的趨勢(shì)，圖中設(shè)計(jì)流量和大流量流道內(nèi)由入口向出口隨著半徑的增大吸力面?zhèn)?、壓力面?zhèn)瓤倝壕鶆蛟黾樱嘧C實(shí)了流量的增加有減小軸向渦的作用。

4　結(jié)論

本文采用Fluent商用軟件對(duì)某單級(jí)單吸渦殼離心泵進(jìn)行了變工況數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn):1)隨著流量的增加流道出口相對(duì)速度增加，總壓減小，流道內(nèi)軸向渦減小;2)流道入口附近液體相對(duì)速度最大值出現(xiàn)在中線區(qū)域，流道內(nèi)相對(duì)速度從壓力面到吸力面逐漸增大;3)沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向越靠近渦舌的流道其流量越高，越遠(yuǎn)離渦舌的葉片其載荷越大。

［1］Hong Wang Hiroshi Tsukamoto，Experimental and Numerical Study of Unsteady Flow in a Diffuser Pump at Off-Design Conditions［J］．ASME J．of Fluids Engineering，2003，125:767－778．

［2］Dong RR．The Effect of Volute Geometry on the Flow Structure，Pressure Fluctuation and Noise in a Centrifugal Pump［M］．The Johns Hopkins University，1994．

［3］Pedersen N，L arsen P S．Flow in a Centrifugal Pump Impeller at Design and Off-Design Conditions—PartⅠ:Particle Image Velocimetry(PIV)and Laser Doppler Velocimetry(LDV)Measurements［J］．ASME J．of Fluids Engineering，2003，125:61－72．

［4］Byskov RK，Jacobsen CB．Flow in a Centrifugal Pump Impeller at Design and Off-Design conditions—partⅡ:Large Eddy Simulations［J］．ASME J．of Fluids Engineering．2003，125:73－83．

［5］田輝．離心泵內(nèi)部數(shù)值計(jì)算及葉片型線優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］．西安:西安交通大學(xué)學(xué)位論文，2008．

［6］王玉召．申林艷．離心式風(fēng)機(jī)變速運(yùn)行性能數(shù)學(xué)模型［J］．承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2013，15(4):30－33．

Numerical Simulation of Non-Uniform Flow in Centrifugal Pump at Design and Off-Design Conditions

TIAN Hui1，F(xiàn)ANG Yuan2，WANG Wen-cheng1，ZOU Ke-wu1
(1．Department of Mechanical Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China; 2．Department of Student Affairs，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

This paper shows the capability of a numerical simulation with the commercial software FLUENT in capturing the characteristics in a Centrifugal Pump at both design and off-design conditions．The numerical results are compared with the experimental results and show a good agreement．Based on the correct numerical results，detailed analysis was applied to the distribution of relative velocity and total pressure in one of the centrifugal impeller channels．Furthermore，with the increasing of relative velocity，the total pressure and axial vortex of a channel near the vortex tongue is much bigger than the others．And the non-uniform distribution of flow characteristics along the circumferential direction is common in the off-design conditions．

design and off-design conditions;numerical simulation;tongue;Fluent

TH311

A

1008-9446(2015)02-0028-04

2014-12-12

田輝(1981－)，男，河北承德人，承德石油高等專科學(xué)校機(jī)械工程系教師，博士，主要從事葉輪機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值分析及氣液兩相流數(shù)值方法研究。