泵驅動制冷劑兩相回路中旋渦泵內部工作特性分析

劉 鵬 杭晨哲 李 準 周 峰 李翠翠 馬國遠 李富平

泵驅動制冷劑兩相回路中旋渦泵內部工作特性分析

劉 鵬1杭晨哲2李 準2周 峰1李翠翠1馬國遠1李富平3

（1.北京工業大學制冷與低溫工程系 北京 100124；2.中國計量科學研究院 北京 100029；3.北京工業大學機械工程與應用電子技術學院 北京 100124）

工質泵是泵驅動兩相回路的關鍵驅動部件，在整個系統中起著決定性的作用。為研究工質泵的內部工作特性，建立旋渦泵三維模型并提取流體域，對基于制冷劑R22的旋渦泵的工作過程進行模擬。研究結果表明：進口壓力從0.95MPa增至1.25MPa，到達穩態的迭代次數縮減一半以上，最大總體積分數從0.6降至0.007；旋渦泵穩態運行時，葉輪受到的離心力作用使葉輪外邊緣處總壓力分布大于葉輪內邊緣處約0.1MPa。葉輪汽蝕破壞區域位于泵進出口葉輪內邊緣，此處是泵內葉輪待改進設計的區域。

旋渦泵；工作特性；泵驅動兩相回路；制冷劑；空化

0 前言

隨著大數據、云計算與人工智能的快速發展，數據中心市場規模逐年增加并帶來了遠大于其他建筑類型的能源消耗。數據中心裝載了大量高發熱量的IT設備，能耗密度大且需全年8760h不間斷冷卻[1]，單位面積能源需求相較辦公室住宅高出100倍[2,3]。近年來，數據中心節能冷卻技術一直是研究的熱點。尋求高效率、低能耗、高可靠性的冷卻方法顯得尤為重要，熱管技術以其高效傳熱的特點成為了眾多冷卻方案中的一大選擇[4-6]。泵驅動兩相回路熱管系統利用室外自然冷源實現冷卻，具有傳熱能力高、傳輸距離遠、適用性廣、啟動速度快等特點，可以有效解決數據中心大空間、高熱流、長距離、大落差的熱量輸送問題[7]。

在泵驅動制冷劑兩相回路研究方面，朱萬朋等[7]對實驗工況下采用R22的泵驅動兩相回路系統的?損失及分布情況進行分析，結果表明，工質泵?損占比約為25%，對泵優化時盡量保證其熱力學過程接近定熵過程。Zhang等[8]在工質為R134a的兩相自然循環回路中添加機械泵，對五種典型工況下的傳熱速率、循環流量、溫度場和制冷劑的分布進行了比較研究。劉賢良等[9]基于Matlab對機械泵驅動兩相熱控系統進行了動態仿真計算，得到了系統分別在熱負荷和冷凝器側環境溫度變化情況下的溫度分布和變化情況。李翠翠等[10]通過改變系統溫差、泵頻率、換熱面積、高低溫水源溫度，對工質泵的冷損失性能進行實驗研究，為減小工質泵的冷損失、提高系統能效及優化系統調控等提供參考。

上述自然冷卻工況下的研究主要集中在系統性能與泵的外部工作特性，有關泵尤其是旋渦泵的專門研究方面，操瑞嘉等[11]針對艦船用泵葉輪所受徑向力分布不均的問題提出一種斜葉片的設計方法，比較作用于斜葉片葉輪與常規設計直葉片葉輪上的徑向力特性和水力特性。沙毅[12]提出了一種旋渦泵設計方法，并推導了旋渦泵容積效率、機械效率和流動效率經驗計算公式。陶佳欣等[13]研究了旋渦泵縱向旋渦的形成和消失與壓力速度變化的聯系，闡述縱向旋渦對旋渦泵外特性的影響機理。劉志超等[14]采用非等距葉片的分布方式，設計了三種葉片分布葉輪，分別對旋渦泵進行穩態性能和壓力脈動分析。

目前對泵的內部流動、空化和汽蝕的研究大多集中在以水為工質的場景，對于使用制冷劑等有機工質時旋渦泵的研究不多。考慮到制冷劑與水的物性差異較大，制冷劑兩相回路中工質泵的內部工作特性具有特殊性和復雜性。因此，本文通過構建旋渦泵的理論模型，模擬旋渦泵的工作過程，分析泵內部工作特性，為適用于泵驅動制冷劑兩相回路的專用旋渦泵的改進和優化提供參考。

1 泵驅動兩相回路系統

泵驅動兩相冷卻回路原理如圖1所示，主要由工質泵、蒸發器、冷凝器和儲液罐組成。工質泵為系統提供循環動力，蒸發器負責將低溫工質與室內高溫熱源進行換熱，而冷凝器則將高溫工質中的熱量與低溫熱源進行換熱而排出熱量，儲液器能夠保證進入工質泵的為液體工質，兼有穩流與穩壓作用。工質經冷凝器冷凝后輸送到儲液罐，然后被工質泵抽送到蒸發器，工質與熱環境在蒸發器內進行蒸發換熱，之后進入冷凝器中冷卻降溫，然后回到儲液罐，從而完成一個制冷循環。

圖1 泵驅動兩相冷卻回路原理

2 旋渦泵仿真模型

2.1 旋渦泵

工質泵采用旋渦泵作為整個循環的動力部件。其組成部分主要包括泵蓋、泵體、葉輪和流道，結構相對較簡單。旋渦泵由于其流量小、揚程高、體積小、重量輕的特性而被廣泛應用。如圖2所示為旋渦泵工作時內部流體的運動狀態，液體產生與葉輪轉向相同的“縱向旋渦”，此縱向旋渦使流道中的液體多次返回葉輪內，再度受到離心力作用，而每經過一次離心力的作用，揚程就增加一次，隨著流量的增加，液體產生縱向旋渦減弱。由于流道內液體是通過液體撞擊而傳遞能量，同時也造成較大撞擊損失，因此旋渦泵的效率比較低[15]。

圖2 泵內液體流動情況

從旋渦泵三維實體模型中抽取泵的流體域模型，主要參數包括：泵進口直徑1=14.5mm；泵出口直徑2=19.3mm；葉輪直徑=79mm；轉速=2800rpm；揚程=60m；額定功率=1kW。利用旋渦泵對R22實現增壓，20℃時R22工質的物性參數如下表1所示。

表1 R22物性參數

2.2 控制方程

構建旋渦泵的三維模型并提取相應的流體域，基于該流體域建立守恒方程、湍流模型與空化模型。

根據質量、動量和能量守恒定律以及流體湍流效應和空化特性，假定域內流體為紊流狀態，建立了模型的守恒方程和流動控制方程。

質量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

空化模型選擇恒定氣體質量模型，該模型的方程式表示如下：

蒸氣產生速率e和蒸氣冷凝速率c表示為：

2.3 網格劃分與條件設置

將流體域模型導入至模擬軟件內，為保證結果收斂及計算精度，將模型分為四部分，分別對流體域葉輪、流道、進出口進行網格劃分。特殊的二叉樹網格創建具有優異正交性的笛卡爾單元格，可以對較大單元格的間隙、尖銳邊緣等自動劃分，從而提高劃分精度。網格數為445863，面元數為1804701，節點數為748656，局部區域的網格劃分如圖3所示。

圖3 泵的局部區域網格劃分

在仿真過程中，對模型做了如下的簡化和假設：

（1）分別建立了流體域的各流道區域（流道、進出口、葉輪流體域），通過交互面進行聯通；

（2）假設壁面光滑無沿程阻力；

（3）假設泵在運行過程中無熱傳遞。

根據泵驅動兩相回路系統實際沖注的制冷劑，選定R22作為仿真工質。邊界條件的具體設置為：

（1）進口邊界：泵的進口總壓力分別為0.95MPa、1.05MPa、1.1MPa、1.15MPa、1.2MPa、1.25MPa。

（2）出口邊界：泵出口處R22的體積流量為6.88×10-5m3/s。

（3）壁面絕熱且無滑移壁面。

3 結果分析與討論

3.1 不同進口壓力時旋渦泵啟動特性

分別改變泵進口總壓力，保持泵中制冷劑工質體積流量為6.88×10-5m3/s，模擬在不同泵進口總壓力（0.95MPa、1.05MPa、1.1MPa、1.15MPa、1.2MPa、1.25MPa），泵由啟動到穩定時的穩態變化過程。在模擬時可以檢測泵進出口總壓力、泵的進出口流量以及轉子的轉動功率參數，由于模擬時各個參數由啟動到穩定時的迭代次數不同，而為了避免泵在工作過程中由于空化對泵流量和功率的影響，所以此處將泵出口總壓作為泵由啟動到穩定狀態時的檢測指標。得到如圖4所示的泵啟動穩定迭代次數。

圖4 泵由啟動到穩定狀態的變化趨勢圖

由圖4可以看出：在各個進口壓力下，隨著迭代次數增加，泵出口總壓力趨于穩定，并且隨著進口壓力增大，泵出口總壓力穩定時的時間縮短。當泵進口總壓力為0.95MPa時，泵出口總壓力趨于穩定時迭代次數約為2200次左右，而當泵進口總壓增大到1.25MPa時，泵出口總壓力達到穩定時的迭代次數接近于1000次。隨著泵進口壓力的增大，泵出口壓力達到穩定的迭代次數減小，主要原因是當泵進口壓力小時，接近于泵內工質的飽和蒸汽壓力，此時泵工作時會出現空化現象，對工質流動產生擾流作用，從而使工質出口壓力達到穩定用時比較長，當進口壓力增大，空化現象減弱，泵內工質的流動狀況減弱，從而泵出口壓力達到穩定的時間縮短。

3.2 不同進口壓力時葉輪流場總壓力分布

不同泵出口靜壓力下葉輪上流場總壓力的分布云圖如圖5所示。

由圖5（a）～（e）可知：隨著泵進口總壓力的增大，葉輪上流場總壓力增大，且在各個進口壓力下，制冷劑工質在葉輪上的總壓力由入口進入葉輪處逐漸增大直到泵出口處葉輪上總壓力達到最大；特別地，由圖5（d）和（e）可以更清晰地觀察到，隨著葉輪的逆時針轉動，葉輪外邊緣部分的總壓力大于葉輪內邊緣部分的總壓力，葉輪外邊緣處總壓力最大達到1.41MPa左右，而葉輪內邊緣處總壓力最大為1.3MPa左右。這是因為制冷劑工質由葉輪內邊緣轉動到葉輪外邊緣處，葉輪在轉動過程中的離心力作用提升了其壓力，所以葉輪外邊緣處總壓力分布大于葉輪內邊緣處，且隨著葉輪的轉動，較大處總壓力由葉輪外邊緣逐漸向葉輪內邊緣擴散。

3.3 不同進口壓力時葉輪總體積分數分布

不同泵進口總壓力下葉輪上流場總體積分數分布云圖如圖6所示。

由圖6（a）～（e）可以看出：隨著泵進口總壓力增大，葉輪上總體積分數減小，當泵進口總壓力為0.95MPa時，葉片上最大總體積分數達到了0.6，而當泵進口總壓力增大到1.25MPa時，葉片上總體積分數最大為0.007左右；工質由泵入口進入葉輪后總體積分數相對較高，且隨著葉輪的轉動，壓力變大的同時總體積分數逐漸減小，到達泵出口時葉輪總體積分數達到最小；葉片上總體積分數最大處在葉輪內邊緣部分上，且高于葉輪外邊緣部分，當泵進口總壓越大時，這種現象越明顯。可見，在葉輪上易發生空化區域為工質由泵入口進入葉輪處和葉輪內邊緣部分處。葉輪上總體積分數隨泵進口總壓力增大而減小的原因是在此溫度下，制冷劑工質的飽和蒸汽壓力不變，而隨著泵進口總壓力的增大其與工質飽和蒸汽壓力差值越來越大，則工質進入泵之后不宜發生空化，所以總體積分數隨泵進口總壓力增大而減小。

3.4 葉輪汽蝕破壞區域預測

葉片上總體積分數越大，則葉片越容易發生空化現象，因為泵的入口壓力低，并且接近于制冷劑工質的飽和蒸汽壓力，而當泵入口壓力低于工質的飽和蒸汽壓力時泵就會發生空化現象。從葉輪的總體積分數圖可以預測，葉輪上氣體體積分數高的區域是易發生空化的區域。預測空化發生的位置，并進行設計改進，防止泵發生進一步的汽蝕破壞。

如圖7為泵內部汽蝕損傷區域對比，圖7（a）為葉輪上總體積分數分布。可知，此時在泵進出口之間葉輪內邊緣區域上總體積分數最大，在此處易發生空化。圖7（b）為預測的葉輪汽蝕破壞區域，其汽蝕破壞區域也在泵進出口之間葉輪的內邊緣部分，汽蝕破壞功率超過108W。從圖7可知，總體積分數最大處與汽蝕破壞區域在同一位置，即在泵進出口葉輪內邊緣上。為了防止由于空化而帶來的汽蝕破壞，此處是泵內葉輪待改進設計的區域。

圖7 葉輪上汽蝕損傷區域對比

4 結論

（1）旋渦泵體積流量一定時，隨著泵進口壓力的增加，泵由啟動到穩定時的出口總壓力趨于穩定，且趨于穩定的時間逐漸縮短，表現為泵出口壓力達到穩定的迭代次數減小，泵進口總壓力越低空化現象越嚴重。當進口總壓力從0.95MPa增大到1.25MPa時，泵出口壓力穩定時的迭代次數從約為2200次降為接近1000次。

（2）旋渦泵穩態運行時，從進口到出口處是制冷劑壓力不斷提升的過程，葉輪在轉動過程受到離心力作用，使葉輪外邊緣處總壓力分布大于葉輪內邊緣處。隨著泵進口總壓力增大，葉輪上總體積分數逐漸減小，當進口總壓力為0.95MPa時，葉輪上總體積分數最大為0.6，而當泵進口總壓力增大到1.25MPa時，葉輪上總體積分數減小到0.007。

（3）葉輪上汽蝕破壞功率超過108W時會發生損傷，汽蝕破壞區域與總體積分數最大處位置一致，均在泵進出口葉輪內邊緣，防止此處空化帶來的汽蝕破壞對泵的優化非常重要。

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Analysis of Internal Working Characteristics of Vortex Pump for Pump Driven Two-phase Cooling Loop

Liu Peng1Hang Chenzhe2Li Zhun2Zhou Feng1Li Cuicui1Ma Guoyuan1Li Fuping3

( 1.Department of Refrigeration and Cryogenics Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, 100124;2.National Institute of Metrology, Beijing, 100029;3.College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology, Beijing University of Technology, Beijing, 100124 )

The working fluid pump as the key driving component of a pump driven two-phase loop plays a crucial role for the system. In order to study the internal working characteristics of working fluid pump, a three-dimensional model of vortex pump was established and the fluid region was extracted. The working process of vortex pump was simulated based on R22 refrigerant. The results show that the steady state iterations reduces over a half and the maximum total volume fraction decreases from 0.6 to 0.007 when the inlet pressure increases from 0.95 MPa to 1.25MPa. During the steady operation of the vortex pump the total pressure distribution at the outer edge of the impeller caused by the centrifugal force on the impeller was 0.1 MPa greater than that at the inner edge of the impeller. The impeller cavitation damage area is located on the inner edge of the pump inlet and outlet impeller, which is the area to be improved.

vertex pump; working characteristics; pump driven two-phase loop; refrigerant; cavitation

1671-6612（2021）03-321-07

TB657

A

北京市朝陽區科技計劃項目（CYSF2005）；北京市教委科技計劃一般項目（KM201910005017）；國家自然科學基金（51776004）

劉 鵬（1996），男，碩士研究生，E-mail：1749008560@qq.com

周 峰（1982），男，工學博士，副研究員，碩士研究生導師，E-mail：zhoufeng@bjut.edu.cn

2020-11-20