基于數(shù)值模擬和模型試驗的泥泵優(yōu)化設計

鄭琳珠，陶潤禮，莊海飛，陳功，林挺

（中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

絞吸挖泥船在港口航道疏浚、圍海吹填造陸等基礎建設中發(fā)揮重要作用。泥泵作為絞吸挖泥船的核心裝備，其高效、穩(wěn)定運行直接關系到整船的工作效率。“十一五”期間，國內(nèi)自行建造了多艘大型絞吸挖泥船，每艘配備1臺或2臺艙內(nèi)（甲板）泵。

在施工過程中，泥泵的效率直接影響挖泥船的工效。國外先進同類船型的施工效率要比國內(nèi)高15%以上，其中艙內(nèi)（甲板）泵和水下泵均為高效泥泵，清水最高效率達86%。

國外比較成熟的泥泵生產(chǎn)和研究企業(yè)有荷蘭的IHC公司、德國LMG公司、日本三菱公司等，這些企業(yè)對泥泵進行了長期研究，投入大量的研發(fā)人員和資金，研發(fā)的艙內(nèi)（甲板）泵的效率可達85%以上，產(chǎn)品市場占有率高。國內(nèi)疏浚企業(yè)先后從荷蘭引進的“新海龍”、“萬傾砂”、“通坦號”等大型疏浚挖泥船上都使用了這種高效泥泵，國外疏浚公司在挖泥船上使用高效泥泵也十分普遍。隨著國家經(jīng)濟的高速發(fā)展，疏浚市場也迎來了發(fā)展機遇，國內(nèi)疏浚企業(yè)開始自主建造大型疏浚船舶，高效泥泵研制引起高度關注，國內(nèi)原有的一些水泵廠看到了疏浚市場的巨大需求，開始研發(fā)大型高效泥泵，但研發(fā)的產(chǎn)品與國外產(chǎn)品還存在一定差距。

國內(nèi)許多學者對泥泵進行了研究，何希杰提出用漸開線型線設計泥泵葉輪的設計方法[1]，高瑛采用數(shù)值模擬方法對船用挖泥泵的內(nèi)部流場進行了分析[2]，彭光杰采用數(shù)值模擬方法預測了泥泵的外特性曲線，并與實測曲線進行了比較，結果表明揚程符合很好，小流量區(qū)的效率誤差較大[3]，張曉娜采用數(shù)值模擬方法對泥泵葉輪進行了優(yōu)化設計，提高了泥泵的揚程和效率[4]。

本文基于數(shù)值模擬，分析了絞吸挖泥船大型泥泵內(nèi)部流場，對葉輪進行了優(yōu)化設計；根據(jù)相似定律設計制造了模型泵，測試結果表明，水力性能達到了預期。

1 泥泵流場的數(shù)值模擬

1.1 設計及三維建模

結合原絞吸挖泥船的功率配置和管路要求，提出了本項目泥泵的清水設計參數(shù)：流量Q=14 000 m3/h，揚程H=73 m，轉速n=328 r/min，水力效率ηh=86%，進口直徑D1=850 mm，排口直徑D2=560 mm，葉輪為閉式葉輪，葉片數(shù)Z=3。實踐表明，泥泵采用扭曲葉片，更符合流動規(guī)律，減小脫流和漩渦，不但提高效率，而且減輕磨損。因此，泥泵葉片應當采用設計扭曲葉片的方法來繪型[5-6]。

泥泵全流道模型由進口、葉輪、泵體三部分組成。為保證精度，本模擬采用蝸殼和葉輪聯(lián)合求解的方法。網(wǎng)格采用非結構化網(wǎng)格，進出口延長以保證進出口段的流動均勻。

1.2 基本方程式

液體在離心泵內(nèi)部的絕大多數(shù)區(qū)域處于充分發(fā)展的湍流狀態(tài)，一般認為連續(xù)性方程和動量方程對于描述泵內(nèi)湍流的瞬時運動是適用的，具體公式見有關資料[7]。

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

采用非結構化網(wǎng)格，對泥泵水體進行了網(wǎng)格劃分，見圖1。湍流模型采用標準的k-ε模型，入口邊界條件通常設置為速度入口（velocityinlet）。速度入口邊界條件適用于不可壓縮流動問題，需要指定速度的大小、方向或者各速度分量；出口邊界條件通常設置為（自由）出流（outflow）[7]。

固壁處均采用無滑移邊界條件。以葉輪為代表的移動壁面采用旋轉參考坐標系，并假定葉輪相對于其通道內(nèi)流體的旋轉速度為零；以蝸殼等為代表的固定壁面均采用靜止的絕對坐標[8]。

1.4 水力性能分析

圖1 泥泵網(wǎng)格圖Fig.1 The dredge pump grid

根據(jù)泥泵過流部件的初步設計方案，對葉輪進行了優(yōu)化，葉片向葉輪進口部位延伸，調整葉片型線，增大葉片進口角等[6]。

1.4.1 流場分析

圖2為葉片表面優(yōu)化前后的壓力分布云圖。

圖2 葉片壓力云圖Fig.2 The blade'spressure

圖2 中可以看出，葉片進口背面存在低壓區(qū)（深色區(qū)域），是最容易發(fā)生氣蝕的區(qū)域，但優(yōu)化后該低壓區(qū)面積減小，表明該泵抗氣蝕性能比優(yōu)化前好。

葉輪中心面相對速度分布云圖如圖3所示。

從圖3可以看出，優(yōu)化前葉片工作面靠近進口處存在渦區(qū)，優(yōu)化后的葉輪中心面上的相對流速分布比較均勻，不存在速度梯度很大的區(qū)域，且相對速度方向均沿著葉片方向，葉輪流道內(nèi)無漩渦區(qū)，說明葉片設計合理，有利于提高泵的水力效率，同時減少泥沙對葉輪流道表面的磨損。

1.4.2 水力性能曲線

在轉速為328 r/min時，分別對6個流量點進行模擬計算，得到該泵的外特性曲線，見圖4，圖中H1，η1為最終優(yōu)化后的揚程和水力效率。在額定轉速328 r/min，額定流量14 000 m3/h下，對模擬預測值和設計值進行比較，如表1所示。

圖3 葉輪中心面相對速度分布Fig.3 Distribution of the relative speed on impeller center plane

圖4 泥泵預測外特性曲線Fig.4 Curves of the predicted model pump external characteristics

表1 額定工況點比較Table1 Contrast of therated conditions

H1，η1為最終優(yōu)化后的揚程和水力效率。從圖4可以看出，揚程曲線較平滑，最高水力效率均達到了86%，且效率大于80%的高效區(qū)比較寬，說明該泵可以在較大的流量范圍內(nèi)保持較高的水力效率。

由表1知，在額定工況點，模擬得到的揚程、功率和效率均達到了設計要求。

2 泥泵的模型試驗

相似理論在泵的設計和實驗中廣泛應用，通常所說的按模型換算進行相似設計和進行模型實驗就是在相似理論指導下進行的，按相似理論可以把模型試驗結果換算到實型泵上，也可以將實型泵的參數(shù)換算為模型的參數(shù)進行模型設計和試驗[5]。用小的模型進行試驗要比真機試驗經(jīng)濟得多，而且因受到試驗臺和真機尺寸過大的限制，用模型試驗代之。

2.1 模型泵的設計制造

考慮模型泵試驗臺，根據(jù)相似理論，模型泵與原泵尺寸比例定為0.25。模型泵為單殼泵設計。為保證模型泵的精度，葉輪為精密鑄造。

2.2 模型泵的試驗結果

模型泵在某泵廠的離心泵清水試驗臺進行了試驗，試驗精度為1級精度[9]。

模型泵效率分析計算說明：

泵手冊[6]中有：

式中：ηh為水力效率；η為泵總效率，即為試驗臺顯示的效率；ηv為容積效率；ηm為機械效率。此試驗中，取ηh=η/96%。表2為模型泵在離心泵清水試驗臺的試驗數(shù)據(jù)，模型泵試驗最高水力效率為83.6%。

表2 模型泵在不同工況下的試驗數(shù)據(jù)Table 2 Test data of the model pump in different conditions

2.3 試驗數(shù)據(jù)換算

模型泵與實型泵的尺寸比例為1∶4，流量和揚程按照相似定律進行換算，由于模型泵與實泵的雷諾數(shù)、表面相對粗糙度和相對間隙不同，造成二者效率存在比尺效應[5]，通常，模型泵的效率要低于實泵。泵效率中水力效率占的份額最大，因此，在數(shù)據(jù)換算過程中，水力效率考慮比尺效應，并用水力效率修正值來修正模型泵與實型泵的總效率。本文采用規(guī)范GB/T 1563.1—2008《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗第1部分：通用規(guī)定》的方法對水力效率進行修正。

規(guī)范GB/T 15613.1—2008中規(guī)定效率差Δηh=ηP-ηM的計算公式：

式中：M，P分別代表模型泵和原型泵；Reref為參考雷諾數(shù)，取Reref=7×106；δref為在雷諾數(shù)為Reref且滿足δref=（1-ηhref）Vref的工況點處的可按比尺效應的相對損失，δref的計算公式為：

式中：ReoptM為模型各運行模態(tài)下測得最優(yōu)水力效率ηhoptM處的雷諾數(shù)；Vref為相對損失系數(shù)，對于徑流式水泵取Vref=0.6。

不同工況的性能參數(shù)對比見表3。

表3 不同工況的性能參數(shù)對比Table3 Contrast of the performance parametersin different conditions

由表3可知：

1）流量-揚程：兩趨勢一致，相對誤差小于3%；

2）流量-水力效率：模型泵試驗轉換為實泵的數(shù)據(jù)與實泵模擬數(shù)據(jù)變化趨勢一致；與模擬數(shù)據(jù)相比，試驗轉換為實泵的數(shù)據(jù)在小流量區(qū)略低于模擬值，在流量點14 000 m3/h時，水力效率相差0.2個百分點；模擬和試驗轉換的最高水力效率均達到了86.2%。

3 結語

1）優(yōu)化設計的泥泵的水力性能在額定工況點達到了設計要求；泥泵水力性能曲線平滑，且大于80%的高效區(qū)較寬，提高了泥泵的高效工作范圍；該泵葉輪流道內(nèi)流體相對速度方向均沿著葉片，無漩渦，葉片型線設計合理。

2）使用數(shù)值分析和模型試驗結合的水力設計方法，對泥泵水力效率進行研究，設計制造了模型泵（1∶4），縮短了研發(fā)周期，節(jié)約了模型泵制造和試驗的成本。

3）國內(nèi)同類船舶數(shù)量很多，高效泥泵需求量大，如果優(yōu)化泵的成果轉化為實際應用，將極大地提高絞吸挖泥船的施工效率，降低單方能耗，為節(jié)能減排貢獻力量，同時增加疏浚產(chǎn)值，提高經(jīng)濟效益。

[1] 何希杰.挖泥泵葉片型線設計[J].通用機械，2003（3）：18-20.HE Xi-jie.Design for blade lines of dredge pump[J].General Machinery,2003(3):18-20.

[2] 高瑛，李淑紅，李金生.船用挖泥泵內(nèi)部流動研究[J].水泵技術，2005（2）：29-30.GAO Ying,LI Shu-hong,LI Jin-sheng.Study on internal flow of marinedredgepump[J].Pump Technology,2005(2):29-30.

[3] 彭光杰，王正偉，楊文.挖泥泵數(shù)值仿真與實測比較[J].流體機械，2005（12）：19-22.PENGGuang-jie,WANGZheng-wei,YANGWen.Simulation and measurement of dredge pump[J].Fluid Machinery,2005(12):19-22.

[4] 張曉娜，周凌九，彭光杰.數(shù)值模擬的離心挖泥泵葉輪優(yōu)化設計[J].水泵技術，2005（6）：35-37.ZHANG Xiao-na,ZHOU Ling-jiu,PENG Guang-jie.Numerical simulation for impeller optimized design of centrifugal dredge pump[J].Pump Technology,2005(6):35-37.

[5] 張克危.流體機械原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.ZHANG Ke-wei.Fluid machinery theory[M].Beijing:China Machine Press,2006.

[6] 關醒凡.現(xiàn)代泵理論與設計[M].北京：中國宇航出版社，2011.GUANXing-fan.Theory and design of morden pumps[M].Beijing:China Astronautic Publishing House,2011.

[7] 王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社，2004.WANG Fu-jun.Analysis on computational fluid dynamics[M].Beijing:Tsinghua University Press,2004.

[8]Fluent inc.FLUENTUser′Guide[M].Fluent Inc.,2003.

[9]GB/T 3216—2005，回轉動力泵水力性能驗收試驗1級和2級[S].GB/T 3216—2005,Rotodynamic pumps-Hydraulic performance acceptancetests-Grades1 and 2[S].