偏工況下離心泵蝸舌區流場特性研究

2019-07-25 09:42:58李學飛孟根其其格

水力發電 2019年4期

李學飛，宋宇，孟根其其格

(1.包頭輕工職業技術學院，內蒙古包頭014035；2.清華大學核能與新能源技術研究院，北京100084；3.清華大學先進核能技術協同創新中心，北京100084；4.清華大學先進反應堆工程與安全教育部重點實驗室，北京100084；5.內蒙古化工職業學院，內蒙古呼和浩特010070)

離心泵廣泛應用于水利、石化、航天、電力等領域，其運行穩定性問題越來越引起關注。離心泵壓力脈動主要是由葉輪和蝸殼的動靜干涉引起，非設計工況下壓力脈動更加劇烈。尤其是小流量工況下容易產生流動分離、失速、二次流等等，由此引起額外的動載荷、振動和噪聲，甚至會造成葉片疲勞損壞[1-3]。KRAUSE等[4]對離心泵進行了試驗測量，結果顯示當流量小于41%設計流量時進入旋轉失速狀態。TAN等[5]數值模擬了非設計工況下離心泵內部空化流動，結果顯示小流量時空化對泵內部流場產生的影響要比大流量時大。ZHANG等[6]指出，在小流量下，離心泵葉輪內失速團會誘發蝸殼內幅值較高的低頻壓力脈動。譚磊等[7]數值計算了離心泵內非定常流動，結果顯示離心泵小流量工況下運行時蝸殼內出現繞蝸舌端部的逆向流，壓力脈動最大值約為最小值的6倍。王業芳等[8]對小流量工況下離心泵內非定常流動進行了數值模擬，指出泵內壓力脈動幅值，在隔舌處最大。離心泵蝸舌區動靜干涉效應是研究離心泵內壓力脈動的關鍵區域之一[9]。

由此可見，小流量工況下離心泵內部流動非常復雜，特別是蝸舌區流動需要深入研究。本文采用Navier-Stokes方程和SSTk-ω湍流模型，數值模擬離心泵內部非定常流動，分析不同流量工況下蝸舌區壓力脈動特性以及瞬態流動特征。

1 離心泵計算域及計算方法

1.1 計算域網格

模型離心泵為比轉速為102的中比轉速單級單吸泵，具有7個扭曲葉片的閉式葉輪，該葉輪基于正反問題迭代設計方法獲得[10-11]。基本參數為：設計流量Qd=25 m3/h，揚程Hd=7 m，轉速n=1 450 r/min，葉片數Z=7，葉片包角Φ=98°，葉輪進口直徑D1=50 mm，葉輪外徑D2=160 mm。

離心泵全流道計算域，如圖1所示，靜止域為進口流域和蝸殼流域，轉動域為葉輪流道。離心泵全流道計算域網格采用結構化網格進行網格劃分，蝸舌區局部網格，如圖2所示。以泵揚程隨網格數增加是否保證穩定為依據，選5組不同密度網格進行網格無關性驗證，如圖3所示，結果顯示當網格數大于1.80×106時，計算所得揚程變化非常小，因此本文計算域網格數選1.80×106。

圖1 離心泵計算域

圖2 蝸舌區網格

圖3 計算域網格無關性驗證

1.2 數值模擬方法

離心泵內部流動為三維不可壓縮粘性流體的湍流流動，基本控制方程采用基于Reynolds平均的Navier-Stokes方程，其表達式為

(1)

(2)

式中，ρm為混合相的密度；u為速度；p為壓力；μm為混合相的動力粘性系數；μt為湍流粘性系數。

湍流模型選用由Menter[12]開發的SSTk-ω模型，該模型對流體機械內部近壁區域及流動分離領域的預測效果更佳[13]。

計算采用流體力學軟件CFX14.5，計算域的設定中，泵進口給定總壓，泵出口給定質量流量。固體邊壁條件設定無滑移邊界。在非定常計算過程中，初始值為定常計算結果，時間步長[14-15]為兩個相鄰葉片轉過同一個空間位置間隔內設置32個計算點，Δt=1.847×10-4s。

2 離心泵能量特性試驗驗證

圖4中，在離心泵流量工況6～28 m3/h范圍之內，選取6個不同工況點，數值計算揚程和效率，與試驗所得到的性能曲線進行對比。由圖可以看出，計算所得揚程和效率性能曲線與試驗結果[16]基本一致。

圖4 離心泵性能曲線

3 結果分析

為監測離心泵蝸舌區壓力分布和壓力脈動情況，在離心泵中間截面上，蝸舌端部附近設置3個監測點W1、W2、W3，如圖5所示。

圖5 蝸舌端部附近監測點位置

圖7 不同流量下監測點W1-W3壓力脈動頻域

3.1 離心泵內壓力分布

圖6中給出了設計流量1.0Qd和小流量0.8Qd、0.6Qd、0.4Qd時，離心泵中間截面上壓力分布。

圖6 不同流量下離心泵中截面壓力分布

由圖6a可知，1.0Qd時，泵內壓力分布，除了蝸舌區以外比較均勻；隨著流量的減小，蝸舌區和正對著蝸舌的葉輪流道內壓力分布，存在明顯的變化，如圖6b和6c所示；0.4Qd時，蝸殼和各葉輪流道內部壓力分布，具有較顯著的變化，尤其是蝸舌區壓力梯度較大。

3.2 蝸舌區壓力脈動頻域

離心泵蝸舌區(監測點W1、W2、W3)壓力脈動分析，選擇了3個工況：①設計流量Q=1.0Qd；②小流量Q=0.6Qd和Q=0.4Qd。離心泵葉輪旋轉周期為T=0.041 38 s，對3個監測點壓力脈動通過快速傅里葉變換(FFT)獲得頻域特性。葉輪轉頻fr=24.17 Hz，葉頻fBPF=7fr=169.17 Hz。

圖7為3種流量下蝸舌區監測點W1、W2、W3壓力脈動頻域示意。由圖7可知，3個流量下，各監測點壓力脈動主要頻率為一倍葉頻(fBPF)、二倍葉頻(2fBPF)及三倍葉頻(3fBPF)。因此在設計流量和小流量下動靜干涉作用是蝸舌區壓力脈動的主要影響因素。值得注意的是，在小流量0.4Qd下，3個監測點壓力脈動低頻段出現一些較明顯的激勵頻率。

為分析這一現象，在圖8中給出了2種流量1.0Qd和0.4Qd下蝸舌區監測點W1、W2、W3低頻段(0～150 Hz)壓力脈動頻域圖。

圖8 不同流量下監測點W1-W3低頻段壓力脈動頻域

由圖8可知，與設計流量1.0Qd時相比，小流量0.4Qd時蝸舌區3個監測點壓力脈動頻譜低頻段均出現高幅值復雜激勵頻率，如圖8b所示。各監測點低頻壓力脈動主頻及其幅值，W1點為4.83 Hz和895.7 Pa，W2點為4.83 Hz和516.7 Pa，W3為16.92 Hz和182.2 Pa；W1點壓力脈動幅值最高，W2點其次，W3點最小。

3.3 蝸舌區壓力脈動幅值

表1為離心泵蝸舌區3個監測點壓力脈動的最大幅值。由表1可知，設計流量下，蝸舌區壓力脈動最大幅值在蝸舌端部W1處最大，其值為6 968.8 Pa，W3處其次，W2處最小，其值為3 590.6 Pa。與設計流量相比，小流量0.6Qd時，3個監測點壓力脈動最大幅值，W1處減小，W2處增加，其值約為設計流量時的2.9倍，W3處基本沒變；0.4Qd時，各監測點最大幅值均顯著增大，但W1處仍小于設計流量時，W2和W3處增大至其值分別約為設計流量時的4.9倍和1.8倍。

表1 蝸舌區壓力脈動最大幅值

圖9 W1橫截面瞬態流線分布

圖10 W2橫截面瞬態流線分布

3.4 蝸舌區流動結構分析

離心泵蝸舌區流動狀況是非常復雜，特別是蝸舌端處動靜干涉效應為最強烈，表1的結果顯示，設計流量時在蝸舌端W1處壓力脈動幅值最大，但小流量0.6Qd和0.4Qd時最小；設計流量時W2的壓力脈動最大幅值最小，但小流量0.6Qd和0.4Qd時最大。

為分析該現象，選取葉輪旋轉一周的5個典型時刻來觀察小流量0.4Qd時通過監測點W1的蝸殼區域橫截面(簡稱為W1橫截面)內流線分布及通過監測點W2的蝸殼和葉輪出口區域橫截面(簡稱為W2橫截面)內流線分布，如圖9和圖10所示。

由圖9可以看出，5個不同時刻下，W1橫截面中上方區域的流態總體較為順滑，隨著時間無顯著變化，這是導致W1處的壓力脈動幅值較低。但靠近葉輪出口的下方區域內流動方向變化相對中上方大，存有明顯的二次流，t=4T/5時出現強度不等的兩個反向小渦，當t=T時兩個小渦消失，流態分布不均勻。

由圖10可以看出，5個不同時刻下，W2橫截面內，蝸殼橫截面上流態總體較為平順，流線分布隨時間無明顯變化；葉輪出口區域橫截面上流態分布則非常復雜。葉輪出口區域橫截面內，t=T/5時，靠近葉輪前蓋板和后蓋板存有兩個強度不等的非對稱反向旋渦；t=2T/5時，旋渦消失；t=3T/5時，旋渦再出現，同時兩個渦心向上移；t=4T/5時，兩個旋渦再次消失；t=T時，前蓋板和后蓋板附近又出現旋渦，這是導致W2處的壓力脈動幅值較高。