立式軸流泵裝置內(nèi)部流動(dòng)特性數(shù)值分析

金曉宇，常鵬程，胡文竹，曹立力，張一祁

(1.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225009； 2.揚(yáng)州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州225009)

0 引 言

立式軸流泵具有低揚(yáng)程、高流量、運(yùn)行穩(wěn)定、易于安裝檢修等特點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于防洪排澇、農(nóng)田灌溉、田間排水、跨區(qū)域調(diào)水等多個(gè)領(lǐng)域[2-4]，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和發(fā)展中具有重要的地位和作用。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)立式軸流泵裝置已開(kāi)展較多的研究。戴景等[5]采用Fluent16.0與UDF二次開(kāi)發(fā)程序相結(jié)合的數(shù)值模擬方法研究了立式軸流泵裝置的飛逸過(guò)渡過(guò)程，獲得機(jī)組在飛逸過(guò)渡過(guò)程中流量等特性參數(shù)的變化以及肘形流道內(nèi)流線的演化特性。朱曉明等[6]采用Standardk-ε、RNGk-ε和Realizablek-ε湍流模型的RANS方法，研究了不同流量下肘形進(jìn)水流道內(nèi)的壁面壓強(qiáng)，得出流量和壓差的關(guān)系。王麗慧等[7]采用基于三維湍流流動(dòng)雷諾時(shí)均N-S方程和RNGk-ε湍流模型，研究了不同出水流道組成的立式軸流泵裝置模型內(nèi)部流動(dòng)，得出泵裝置肘形進(jìn)水流道內(nèi)的流場(chǎng)分布情況。本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)立式軸流泵裝置全流道開(kāi)展數(shù)值模擬分析工作，分析不同工況時(shí)立式軸流泵裝置全流道的壓力和速度分布規(guī)律，探討不同工況時(shí)各過(guò)流結(jié)構(gòu)的能量變化。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 三維模型

立式軸流泵裝置包括4個(gè)過(guò)流部件：肘形進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉體、虹吸式出水流道。葉輪的葉片數(shù)為4，葉片安放角為0°，葉輪名義直徑為120 mm，輪轂比為0.40，額定轉(zhuǎn)速為2 200 r/min；導(dǎo)葉體的葉片數(shù)為7 。立式軸流泵裝置的三維模型見(jiàn)圖1。

圖1 立式軸流泵裝置

1.2 控制方程與湍流模型

數(shù)值計(jì)算采用雷諾時(shí)均Navier-Stokes(RANS)控制方程，并將其基于有限元的有限體積法(CV-FEM)進(jìn)行離散化，離散方程采用全隱式耦合代數(shù)多重網(wǎng)格方法進(jìn)行求解。低揚(yáng)程立式軸流泵屬于不可壓縮三維湍流流動(dòng)，而適用于此流動(dòng)的湍流模型有多種，其中RNGk-ε湍流模型具有適于計(jì)算流線曲率大、有旋轉(zhuǎn)和分離流動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)[8-9]，能有效反映葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)靜干涉問(wèn)題，已在水泵及泵裝置三維湍流流動(dòng)數(shù)值模擬中得到較多應(yīng)用[10-12]。

1.3 邊界條件設(shè)置

選用的立式軸流泵裝置包括4個(gè)過(guò)流部件：肘形進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉體、虹吸式出水流道。進(jìn)口邊界設(shè)置于肘形進(jìn)水流道進(jìn)口延伸段處，采用速度進(jìn)口；出口邊界設(shè)置于出水流道出口延伸段，采用壓力出口條件；壁面采用無(wú)滑移邊界條件；近壁區(qū)采用可伸縮壁面函數(shù)(Scalable Wall Function)處理；各物理量的殘差收斂精度設(shè)置為1.0×10-5，并通過(guò)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)泵裝置揚(yáng)程的變化情況。進(jìn)水延伸段和出水延伸段的自由液面采用對(duì)稱平面處理，葉輪與導(dǎo)葉體、肘形進(jìn)水流道的交界面采用動(dòng)-靜交界面，其余區(qū)域的交界面選用靜-靜交界面處理。

1.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析

本文采用ICEM CFD軟件對(duì)肘形進(jìn)水流道和虹吸式出水流道進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，通過(guò)Ansys TurboGrid軟件對(duì)葉輪和導(dǎo)葉體進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。為了提升計(jì)算精度且兼顧計(jì)算效率，需要進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表1。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到510萬(wàn)以后，泵裝置的效率絕對(duì)誤差不超過(guò)0.2%，滿足精度要求，故選擇510萬(wàn)網(wǎng)格作為計(jì)算網(wǎng)格數(shù)。

表1 不同網(wǎng)格數(shù)量泵裝置效率表

1.5 立式軸流泵能量性能預(yù)測(cè)

基于CFD數(shù)值計(jì)算結(jié)果，對(duì)立式軸流泵裝置的能量性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，得出泵裝置能量性能曲線(圖2)。當(dāng)Q/Qbep=1時(shí)，泵裝置效率達(dá)到最大為74.71%，此時(shí)揚(yáng)程為1.51 m。

圖2 泵裝置能量性能曲線

2 內(nèi)流特性結(jié)果及分析

為分析不同工況下立式軸流泵裝置的內(nèi)流特性，選取3個(gè)特征工況(小流量工況0.3Qbep、最優(yōu)流量工況1.0Qbep和大流量工況1.2Qbep)進(jìn)行泵裝置內(nèi)流分析。

2.1 泵裝置全流道流線圖分析

由泵裝置全流道流線圖(圖3)可知，肘形進(jìn)水流道內(nèi)部流態(tài)較好，流線平順，但在小流量工況下，肘形進(jìn)水流道出口處流態(tài)較為混亂，存在大尺度螺旋。0.3Qbep工況下，水流經(jīng)過(guò)葉輪和導(dǎo)葉體后，由于流體流速較小，導(dǎo)葉體對(duì)水流的速度環(huán)量回收效果較差，導(dǎo)致在彎管段存在較為明顯的螺旋水流，在出水流道上升段水流旋轉(zhuǎn)減弱，流態(tài)較為平順；1.0Qbep工況下，導(dǎo)葉體對(duì)葉輪出口環(huán)量的回收效果較為明顯，但在彎管段仍然存在螺旋水流，隨著水流進(jìn)入上升段，流態(tài)逐漸平順；1.2Qbep工況下，導(dǎo)葉體對(duì)葉輪出口環(huán)量的回收效果非常明顯，螺旋流進(jìn)一步減弱，流出水流道中流線更為平順。

圖3 泵裝置全流道流線圖

2.2 泵裝置縱斷面壓力云圖分析

由泵裝置縱斷面壓力云圖(圖4)可知，在肘形進(jìn)水流道段，縱斷面壓力分布規(guī)律基本一致，且在肘形進(jìn)水流道出口段、葉輪域進(jìn)口前存在一定范圍的低壓區(qū)。在0.3Qbep工況下，由于流態(tài)較差，壓力分布變化幅度較大，虹吸式出水流道壓力值高于肘形進(jìn)水流道37 500 Pa左右；在1.0Qbep工況下，壓力分布變化幅度進(jìn)一步減小，虹吸式出水流道壓力值高于肘形進(jìn)水流道15 000 Pa左右，在葉輪域前側(cè)的低壓區(qū)沿著肘形進(jìn)水流道內(nèi)側(cè)進(jìn)一步擴(kuò)大；1.2Qbep工況下，壓力分布變化幅度進(jìn)一步減小，虹吸式出水流道與肘形進(jìn)水流道無(wú)明顯壓力差距，彎管彎折處與出水流道出口下側(cè)有一定的高壓區(qū)，葉輪域前側(cè)低壓區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，分布與1.0Qbep工況下類似。

2.3 泵裝置速度云圖分析

由泵裝置速度云圖(圖5)可知，3個(gè)典型工況下，縱斷面速度分布規(guī)律類似，主要差異在于肘形進(jìn)水流道出口、葉輪域、導(dǎo)葉體域、彎管段和虹吸式出水流道上升段。隨著流速的增大，肘形進(jìn)水流道出口處流速不斷擴(kuò)大；葉輪域靠近輪緣處流速最大；在彎管內(nèi)部彎折處出現(xiàn)局部高速流動(dòng)區(qū)域，且隨著流速的增大擴(kuò)散，在1.2Qbep工況延伸到虹吸式出水流道上升段。

圖5 泵裝置縱斷面速度云圖

不同工況時(shí)，泵裝置各過(guò)流部件能量變化時(shí)均值見(jiàn)表2。隨著流量的增加，進(jìn)水流道水力損失逐漸增大，水力損失從約占葉輪揚(yáng)程的0.12%上升到3.29%；導(dǎo)葉體內(nèi)水力損失隨著流量的增大先減小后上升；彎管段水力損失隨著流量的增大逐漸減小；虹吸式出水流道水力損失隨著流量的增大逐漸上升，且從約占葉輪揚(yáng)程的0.6%上升到13.9%。

表2 不同工況各過(guò)流部件能量變化 /m

3 結(jié) 論

1) 肘形進(jìn)水流道內(nèi)部流態(tài)較好，隨著流量的增加，肘形進(jìn)水流道出口處流態(tài)愈發(fā)平順，大尺度螺旋消失，流線平順導(dǎo)葉體對(duì)葉輪出口環(huán)量的回收效果非常明顯，螺旋流進(jìn)一步減弱，出水流道中流線更為平順。

2) 肘形進(jìn)水流道段，縱斷面壓力分布規(guī)律基本一致，且在肘形進(jìn)水流道出口段、葉輪域進(jìn)口前存在一定范圍的低壓區(qū)。隨著流量的增加，壓力分布變化幅度越來(lái)越小；至1.2Qbep工況下，壓力分布變化幅度進(jìn)一步減小，虹吸式出水流道與肘形進(jìn)水流道無(wú)明顯壓力差距，彎管彎折處與出水流道出口下側(cè)有一定的高壓區(qū)，葉輪域前側(cè)低壓區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大。

3) 3個(gè)典型工況下，縱斷面速度分布規(guī)律類似。隨著流速的增大，肘形進(jìn)水流道出口處流速不斷擴(kuò)大；葉輪域靠近輪緣處流速最大；在彎管內(nèi)部彎折處出現(xiàn)局部高速流動(dòng)區(qū)域，且隨著流速的增大擴(kuò)散，在1.2Qbep工況延伸到虹吸式出水流道上升段。

4) 隨著流量的增加，進(jìn)水流道水力損失逐漸增大，導(dǎo)葉體內(nèi)水力損失隨著流量的增大先減小后上升；彎管段水力損失隨著流量的增大逐漸減小；虹吸式出水流道水力損失隨著流量的增大逐漸上升。