離心泵小流量工況下的內(nèi)部流動(dòng)特性

□耿鑫琪

（武漢中糧食品科技有限公司 湖北 武漢 430000）

離心泵小流量工況下的內(nèi)部流動(dòng)特性

□耿鑫琪

（武漢中糧食品科技有限公司 湖北 武漢 430000）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和離心泵使用量的不斷增加，人們?cè)絹?lái)越重視離心泵運(yùn)行的穩(wěn)定性和高效性，離心泵內(nèi)部流動(dòng)特性決定著其性能和運(yùn)行狀態(tài)，一般說(shuō)來(lái)，離心泵內(nèi)部流動(dòng)性越好，速度和壓力的分布更具規(guī)律性，則運(yùn)行狀態(tài)更穩(wěn)定。不同的離心泵系統(tǒng)設(shè)置不同，且離心泵運(yùn)行狀態(tài)也不同，多是在小流量工況下運(yùn)行，一般情況下，離心泵在小流量工況下運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，比如會(huì)出現(xiàn)回流、失速、流動(dòng)分離等情況的發(fā)生，這時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響離心泵運(yùn)行的穩(wěn)定性和高效性，因此，為更好地研究離心泵小流量工況下的內(nèi)部流動(dòng)特性，文中針對(duì)IS160-50-65型離心泵在小流量工況下進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并為離心泵小流量工況下的內(nèi)部流動(dòng)特性提供一定的數(shù)值參考。

離心泵；小流量工況；內(nèi)部流動(dòng)特性

泵是現(xiàn)代工業(yè)中能量轉(zhuǎn)換和液體輸送的重要?jiǎng)恿ρb置，而離心泵是應(yīng)用最為廣泛的裝置，被廣泛的應(yīng)用在能源行業(yè)、農(nóng)業(yè)灌溉以及交通運(yùn)輸行業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域，通過(guò)對(duì)離心泵的研究可以發(fā)現(xiàn)，離心泵的運(yùn)行狀態(tài)取決于其內(nèi)部流動(dòng)特性。離心泵大部分情況下是在小流量工況下運(yùn)行，但是，其在小流量工況下運(yùn)行容易產(chǎn)生回流現(xiàn)象，且葉輪流道內(nèi)可能會(huì)發(fā)生分離漩渦，從而造成離心泵系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定性，因此，本文結(jié)合數(shù)值模擬方法對(duì)小流量工況下的內(nèi)部流動(dòng)性進(jìn)行分析，得出流動(dòng)規(guī)律，從而為離心泵運(yùn)行的穩(wěn)定性提供支撐。

1 計(jì)算模型與計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型

本文的研究對(duì)象是低速率離心泵，其設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，采用Pro/E軟件進(jìn)行三維建模，且為了最大程度的排除干擾，在葉輪進(jìn)口增加了長(zhǎng)度為五倍的進(jìn)口直徑，在出口增加了長(zhǎng)度為五倍的出口延伸段。

表1 離心泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分

模型建立完成后要進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，而網(wǎng)格劃分是數(shù)值計(jì)算的前提，網(wǎng)格劃分質(zhì)量影響著數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，本文進(jìn)行離心泵內(nèi)部流動(dòng)特性的研究采用ICEM對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，共劃分為四個(gè)部分，進(jìn)口管道、葉輪流道、蝸殼流道和擴(kuò)壓室，考慮到離心泵設(shè)計(jì)復(fù)雜且工況不定，進(jìn)行建模時(shí)則采用性能比較好的四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

1.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格的劃分對(duì)模型數(shù)值的準(zhǔn)確性影響很大，因此，對(duì)離心泵研究建模之前需要對(duì)網(wǎng)格做無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，便于選取合理的模型結(jié)果。網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證指的是當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量有一個(gè)恒定值時(shí)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果不再隨數(shù)量的增加而改變數(shù)值，計(jì)算結(jié)果也會(huì)得出一個(gè)恒定值。網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證是數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ)，也是保證模型穩(wěn)定性的前提，其中，揚(yáng)程可當(dāng)做參考標(biāo)準(zhǔn)，即網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到恒定值，揚(yáng)程變化比較小的情況下，可以驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)量對(duì)數(shù)值驗(yàn)證結(jié)果是可信的，且數(shù)值的準(zhǔn)確度與網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān)。基于此，本文選取一定范圍的網(wǎng)格數(shù)，分成八組網(wǎng)格，進(jìn)行數(shù)值分析，見(jiàn)表2。

通過(guò)表2可以得出，網(wǎng)格數(shù)達(dá)到108萬(wàn)時(shí)，揚(yáng)程最高，而當(dāng)網(wǎng)格數(shù)繼續(xù)增大達(dá)到200萬(wàn)時(shí)，揚(yáng)程則降低到20.657，網(wǎng)格數(shù)繼續(xù)增大達(dá)到220萬(wàn)時(shí)，揚(yáng)程數(shù)為20.652，變化不大，而且隨著網(wǎng)格數(shù)的增大，揚(yáng)程數(shù)基本沒(méi)有變化，這說(shuō)明，網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證指的是當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量有一個(gè)恒定值時(shí)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果不再隨數(shù)量的增加而改變數(shù)值，計(jì)算結(jié)果也會(huì)得出一個(gè)恒定值。

2 離心泵內(nèi)部流場(chǎng)定常數(shù)值研究

離心泵內(nèi)部流動(dòng)特性會(huì)隨著流量的變化不斷地發(fā)生改變，本文主要針對(duì)離心泵小流量工況下的內(nèi)部流動(dòng)流動(dòng)特性進(jìn)行定常數(shù)值模型研究。

2.1 離心泵外特性預(yù)測(cè)分析

離心泵的揚(yáng)程和速率是內(nèi)部流動(dòng)特性的表現(xiàn)形式，通過(guò)對(duì)1.25m3/h到16.25m3/h中多個(gè)工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出離心泵內(nèi)部流動(dòng)特性曲線。

揚(yáng)程計(jì)算公式：H=P2-P1/Pg，其中，P2為離心泵出口總壓，P1為進(jìn)口總壓，單位為Pa；離心泵速率計(jì)算公式：ηh=pgQH/Mω,其中，M為葉輪扭矩，單位為N·s,ω為葉輪角速度，單位為rda/s。根據(jù)揚(yáng)程、速率的計(jì)算公式，可以得出小流量工況下的各種數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出離心泵小流量工況下的內(nèi)部流動(dòng)特性。根據(jù)不同流量下離心泵的數(shù)值結(jié)果，可以得出小流量工況下離心泵的揚(yáng)程和速率的計(jì)算數(shù)值，進(jìn)而通過(guò)模擬計(jì)算，得出不同工況下的流動(dòng)特性，但是，考慮到設(shè)備條件的不同，對(duì)流動(dòng)性能的模擬可能會(huì)存在誤差，將非全流場(chǎng)計(jì)算得出的揚(yáng)程值的5%作為損失補(bǔ)充部分。

表2 離心泵不同網(wǎng)格數(shù)的預(yù)測(cè)揚(yáng)程

2.2 離心泵內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算分析

為更好地測(cè)算離心泵小流量工況下的內(nèi)部流動(dòng)特性，特分析流量工況Q/Qd=1.0和小流量工況Q/Qd=0.4，Q/Qd=0.2時(shí)內(nèi)部流動(dòng)情況的數(shù)值分析，通過(guò)不同流量下的方案設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算可以得出，葉輪軸面分布均勻的情況下，離心泵的內(nèi)部流量穩(wěn)定；小流量工況下，離心泵出現(xiàn)回流情況，而且隨著流量越來(lái)越小，回流現(xiàn)象會(huì)變得越來(lái)越嚴(yán)重，而且根據(jù)分析可以的得出，小流量Q/Qd=0.2的工況情況下，離心泵流道中的漩渦是最多的，也就是說(shuō)回流最為明顯，因此，可以得出結(jié)論，在液體回流的情況下，流體逆主流方向回流至進(jìn)口管的離心泵進(jìn)口管道中，甚至可能會(huì)回流到吸水管中。

3 離心泵內(nèi)部流場(chǎng)非定常數(shù)值研究

上一部分通過(guò)定常數(shù)值分析了離心泵不同流量工況下的數(shù)值分析，并獲得了內(nèi)部流動(dòng)特性，但是離心泵的內(nèi)部流動(dòng)特性是一個(gè)復(fù)雜的三維模型，僅憑定常數(shù)值分析無(wú)法真實(shí)反映離心泵小流量工況下的內(nèi)部流動(dòng)特性，因此，還需要對(duì)離心泵內(nèi)部流場(chǎng)非定常數(shù)值進(jìn)行分析。

為了對(duì)蝸殼中的速度進(jìn)行分析，選取低比轉(zhuǎn)速泵，通過(guò)徑向尺寸的對(duì)比，軸向速度基本無(wú)變化，通過(guò)分析可以得出結(jié)論，隨著離心泵流量的降低，周向速度和徑向速度也是不斷地降低的，使得進(jìn)入蝸殼流道中的液體不斷地減少，進(jìn)而使得蝸殼內(nèi)的速度較低。本部分采用非定常數(shù)值分析法對(duì)離心泵小流量工況下的內(nèi)部流動(dòng)性進(jìn)行分析，通過(guò)能夠監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置分析了速度和壓力，并通過(guò)快速傅里葉變換獲得壓力脈動(dòng)的頻率特性。通過(guò)模型的建立可以得出，小流量工況下，液體出現(xiàn)分離和回流情況，且高能流體會(huì)對(duì)進(jìn)口管道內(nèi)的主流產(chǎn)生干擾，使得進(jìn)口管道的流體變得沒(méi)有規(guī)律性，甚至可能會(huì)發(fā)生漩渦現(xiàn)象，而且隨著流量的不斷減小，離心泵內(nèi)部的流線也是越來(lái)越?jīng)]有規(guī)律，進(jìn)而占據(jù)了整個(gè)空間，極易引起內(nèi)部流量的不穩(wěn)定性，情況嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)發(fā)生內(nèi)部斷流現(xiàn)象。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析可以得出結(jié)論：不同流量的設(shè)計(jì)工況下，離心泵揚(yáng)程預(yù)測(cè)偏差為1.47%時(shí)，則偏差為3.61%；在小流量工況下，流量越小，離心泵的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值偏差趨勢(shì)越小，而效率則不斷地增大；離心泵在小流量工況下，進(jìn)口管道會(huì)出現(xiàn)回流現(xiàn)象，且隨著流量的減小，回流現(xiàn)象越明顯，甚至可能會(huì)出現(xiàn)堵塞葉輪流道的情況。

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1004-7026（2016）18-0089-02

S277.9;TH311

A

DOI：10.16675/j.cnki.cn14-1065/f.2016.18.069