大流量工況下離心泵非定常空化流動特性分析*

于 群,章 宇,王 陽,王 濤,張偉華

(1.青島黃海學院 建筑工程學院,山東 青島 266555;2.南方泵業(yè)股份有限公司,浙江 杭州 311106;3.中國計量大學 計量測試工程學院,浙江 杭州 310018)

0 引 言

由于具有流量較大、揚程較高、工作區(qū)域?qū)拸V的特點,離心泵被廣泛應用于化工、生活供水、農(nóng)業(yè)灌溉等各個領域[1-4]。

空化是離心泵應用中的常見現(xiàn)象,不僅會造成泵水力性能的下降和過流部件的腐蝕,還會引起機組的劇烈振動和噪音,對整個機組的安全穩(wěn)定運行有很大影響[5,6]。

隨著我國經(jīng)濟水平的快速發(fā)展,流體輸送系統(tǒng)的重要性日益凸顯,而離心泵作為流體輸送的核心動力設備,其使用壽命和運行穩(wěn)定性越來越受到各方的重視。對離心泵瞬態(tài)空化特性進行研究,有助于離心泵運行穩(wěn)定性的提升,也可以為工程技術人員提供參考。

近年來,空化的數(shù)值模型常被用于學術研究和工程應用領域,可見,對離心泵空化的研究依舊是行業(yè)的熱點[7-12]。

離心泵所應用的空化模型主要分為兩大類:界面追蹤模型和均相流模型。其中,界面追蹤模型消耗計算資源較多,在離心泵的空化計算中應用較少;而均相流模型主要采用Rayleigh-Plesset方程的簡化形式,以此來計算流場中的空化,并考慮其蒸發(fā)和冷凝過程,對體積分數(shù)在運輸方程中的源項進行建模。

在離心泵空化數(shù)值預測中,最為常用的模型為Zwart、Schnerr和Singhal模型。Singhal模型考慮了非冷凝蒸汽的影響,并假定其質(zhì)量分數(shù)是已知的常數(shù)。

李文廣[13]采用全空化模型與RNGk-ε湍流模型,以此來預測離心泵的汽蝕性能,發(fā)現(xiàn)了設置非凝結蒸汽濃度為15 ppm與試驗結果較為吻合。周佩劍等人[14]對單流道離心泵蝸殼內(nèi)二次流漩渦進行了研究,分析了多工況下二次流強度與壓力脈動的關聯(lián)關系。在3個典型空化余量下,周曉紅等人[15]對小流量工況下,汽車發(fā)動機冷卻水泵的非定常流動進行了數(shù)值模擬計算,以及對比分析,結果表明,當空化發(fā)生時,泵內(nèi)監(jiān)測點的壓力脈動明顯降低。吳登昊等人[16]基于Zwart-Gerber-Belamri空化模型,對不同空化狀態(tài)下,低比轉速離心泵的流場進行了非定常計算,對不同流量下,葉輪流道內(nèi)空化區(qū)域隨時間的演化過程和徑向力的變化規(guī)律進行了總結。楊孫圣等人[17]采用數(shù)值模擬方法,得到了臨界空化余量時,葉輪內(nèi)部的蒸汽體積分數(shù)分布,對空化導致泵揚程和效率下降的原因進行了分析。

由此可見,目前針對離心泵的空化研究多集中在額定流量和小流量工況[18-21],仍缺少對大流量工況下空化現(xiàn)象的研究,特別是對該工況下,空化與壓力脈動之間關聯(lián)機理的研究較少。

基于以上的原因,筆者通過實驗測試泵內(nèi)不同程度空化現(xiàn)象,測量離心泵的臨界空化余量;然后,在蝸殼內(nèi)建立監(jiān)測點進行數(shù)值分析,得到不同監(jiān)測點上的壓力脈動的時域和頻域特征;最后,根據(jù)數(shù)值分析情況,對不同空化狀態(tài)下,葉輪內(nèi)的蒸汽體積分數(shù)、中間截面速度矢量分布以及監(jiān)測點壓力脈動進行分析。

1 實驗方法

筆者通過搭建閉式管路實驗臺,對離心泵外特性及不同程度空化情況進行測試。

離心泵外特性測試及空化實驗臺示意圖如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意圖1—穩(wěn)流罐;2—進口壓力變送器;3—測試離心泵;4—出口壓力變送器;5—扭矩儀;6—壓力罐;7—真空泵

該實驗臺由閉式管路連接而成,主要的組成部分有:穩(wěn)流罐、進口壓力變送器、測試離心泵、出口壓力變送器等。

為了達到不同的空化程度,此處在壓力罐一側安裝真空泵,通過排氣降低壓力罐中的壓力(該系統(tǒng)旨在測量離心泵的臨界空化余量)。

由于工作條件比較復雜,離心泵在運行過程中可能會發(fā)生不同程度的空化現(xiàn)象。因此,此處的實驗工作是在額定流量下,不斷降低泵的吸入口壓力,以測試泵中不同程度的空化現(xiàn)象;然后,根據(jù)記錄的壓力數(shù)據(jù)和軸功率,以此來計算泵的揚程和效率。

使用該測試方法,泵的揚程隨著壓力降低,剛開始基本不變,到臨界點附近突然下降。這表明葉輪進口處的壓力值降至低于水蒸氣的壓力值,即泵的臨界空化現(xiàn)象。

2 數(shù)值模擬

此處的研究對象是一臺比轉速為120的單級單吸懸臂式離心泵。

該泵在設計工況下的流量Qd=300 m3/h,揚程H=45 m,葉片數(shù)為6,轉速n=1 480 r/min。在數(shù)值模擬中,選擇1.2Qd的大流量工況進行計算。

前期,該離心泵已經(jīng)在閉式試驗臺上進行了實驗測試。

首先,筆者對計算域進行三維建模(主要包括吸水室、葉輪和蝸殼),然后采用ICEM CFD商用網(wǎng)格生成器,對計算域進行網(wǎng)格劃分。

由于泵葉片前緣處往往最早發(fā)生空化,此處需要對該區(qū)域附近的網(wǎng)格進行局部加密。

整個計算域由大約2.15×106網(wǎng)格單元組成,如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格示意圖

為了驗證網(wǎng)格無關性,筆者采用了3.56×106網(wǎng)格單元進行數(shù)值模擬。經(jīng)過結果對比,筆者發(fā)現(xiàn),計算的揚程與2.15×106網(wǎng)格單元方案的結果僅相差2%。由此可見,2.15×106網(wǎng)格單元方案可以滿足網(wǎng)格無關性。

在計算中,筆者采用RNGk-ε湍流模型,動量方程采用二階迎風格式,而時間積分、湍流和蒸汽輸送方程則采用了一階格式;指定邊界條件為入口壓力和出口流量。

為了對空化和壓力脈動的關聯(lián)關系進行分析,筆者對泵蝸殼的中間截面設置壓力脈動監(jiān)測點。

考慮到雙蝸殼的對稱性,筆者在蝸殼中截面分別設置監(jiān)測點P1～P5。

蝸殼中間截面監(jiān)測點分布圖如圖3所示。

圖3 蝸殼中間截面監(jiān)測點分布圖

考慮到殘差和質(zhì)量守恒情況,筆者對數(shù)值迭代的收斂性進行監(jiān)控,一旦發(fā)現(xiàn)所有參數(shù)始終低于10-4,并且在數(shù)值迭代中基本保持恒定,則認為計算收斂。

筆者分別采用全空化模型和Zwart-Gerber-Be1amri空化模型進行計算,得到大流量工況下的臨界空化曲線。

其中,全空化模型中的蒸發(fā)率經(jīng)驗系數(shù)為0.02,冷凝率經(jīng)驗系數(shù)為0.01,非凝結氣體含量分別為15 ppm。

揚程隨空化余量的變化如圖4所示。

圖4中,ZGB空化模型、全空化模型與試驗值均有一定誤差,但是全空化模型計算的結果與試驗值更為接近。

筆者將全空化模型計算的工況A、B、C分別定義為初始空化、臨界空化和發(fā)展空化。

3 數(shù)值模擬結果分析

3.1 蒸汽體積分數(shù)分析

筆者對3種不同程度空化狀態(tài)下,葉輪內(nèi)的蒸汽體積分數(shù)隨葉輪旋轉一周的變化狀況進行分析。

初始空化狀態(tài)下,葉輪旋轉一周的葉輪流道內(nèi)蒸汽體積分數(shù)的變化情況,如圖5所示。

圖5 初始空化狀態(tài)下蒸汽體積分數(shù)分布

由圖5可知:

(1)由于葉輪進口壓力較低,低于此時溫度下的飽和蒸氣壓,空泡最先發(fā)生在葉片吸力面靠近葉輪進口處;

(2)6個葉輪流道內(nèi)的空泡體積分數(shù)略有不同,但是基本一致;

(3)隨著葉片的旋轉,在不同時刻,每個流道內(nèi)的空泡體積有所變化。

臨界空化狀態(tài)下,葉輪內(nèi)空泡體積分數(shù)的變化如圖6所示。

圖6 臨界空化狀態(tài)下蒸汽體積分數(shù)分布

圖6中,空化進一步發(fā)展,葉片吸力面的空泡已經(jīng)延伸至相鄰葉片的壓力面,開始出現(xiàn)空泡堵塞流道的現(xiàn)象;隨著葉輪的旋轉,各葉片的空泡分布較為均勻。

發(fā)展空化狀態(tài)下空泡的變化情況如圖7所示。

圖7 發(fā)展空化狀態(tài)下蒸汽體積分數(shù)分布

由圖7可以看出:

(1)空化已經(jīng)進一步發(fā)展,空泡逐漸向著葉片出口方向擴展,而空泡的變大將阻礙流體的運動,能量損失增大,從而造成離心泵的揚程和效率降低;

(2)隨著葉輪旋轉,葉片上的空泡呈現(xiàn)一種由寬厚到狹長再到寬厚的規(guī)律變化。不過總體上空泡體積變化均衡。

3.2 速度矢量圖變化

不同空化狀態(tài)下,葉輪中間截面流體速度矢量圖變化情況,如圖8所示。

由圖8(a)可以看到:在初始空化狀態(tài),在葉輪通道進口處產(chǎn)生了空穴區(qū)域,且主要附著在葉片吸力面處。

圖8 葉輪中間截面的速度矢量圖

由于是大流量工況,所以葉片進口處的壓力面產(chǎn)生了流動分離,此時空穴面積和蒸汽體積分數(shù)都較小,整體上對葉輪內(nèi)流場影響不大;

由圖8(b)可以看到:在臨界空化狀態(tài),隨著空化余量的降低,空穴區(qū)域面積和蒸汽體積分數(shù)都顯著增大,對流場有較大影響。葉片壓力面的漩渦開始消失,在葉片吸力面上出現(xiàn)了較大面積的流動分離,在出口處形成了更大漩渦。

這主要是因為:伴隨著空化的發(fā)展,葉片吸力面的空穴區(qū)域不斷擴大,擠壓了流道內(nèi)流體的過流空間;流體被擠向靠近葉片壓力面處,此處流動變得通暢,但在葉輪出口靠近葉片吸力面處產(chǎn)生了較大漩渦;

由圖8(c)可以看到:當空化進一步發(fā)展,空穴區(qū)域面積和蒸汽體積分數(shù)也進一步增大,過流面積進一步變小。更多流體被擠向靠近葉片壓力面處,此處流動變得更為通暢。

葉片吸力面處出現(xiàn)了更大面積的流動分離,在出口處形成了較大的漩渦。離心泵的水力性能已經(jīng)惡化,隨之而來的是其揚程和效率的急劇下降。

3.3 壓力脈動變化

未空化及不同空化階段的壓力脈動時域圖如圖9所示。

圖9 未空化及不同空化階段的壓力脈動時域圖

圖9中,在不同空化階段,各個測點仍具有明顯的周期性。

由圖9(a)可知:未發(fā)生空化時,5個監(jiān)測點的壓力脈動都呈現(xiàn)明顯的周期性,因為位置不同,而有明顯的相位區(qū)別。

其中,P1、P2點壓力脈動的峰-峰值較大,P3、P4、P5點的壓力脈動峰-峰值較小。這是因為P1、P2點在蝸殼隔舌附近,距離葉片尾緣的距離較近,葉片掃過時,該處所受的動靜干涉作用最為強烈;而P3、P4、P5點距離葉片尾緣較遠,所受影響較小。進一步地,可以看到P2點壓力脈動波動最大,峰-峰值超過了P1點,由此可見,壓力脈動最大點在隔舌附近,但并不在隔舌處;

監(jiān)測點P3、P5的值相差5%左右,與P4監(jiān)測點比較約有15%的差額;

在不同的空化狀態(tài)下,各監(jiān)測點的壓力脈動依然具有周期性;

由圖9(b)可知:初始空化時,各監(jiān)測點壓力脈動曲線更為光滑,且整體上有變小的趨勢,P2點壓力脈動變化幅度仍是最大;而P3、P4、P5監(jiān)測點正弦化趨勢增加;

由圖9(c)可知:臨界空化時,P1、P2監(jiān)測點的壓力脈動峰-峰值明顯降低,且曲線的波峰區(qū)域變得更寬。而P3監(jiān)測點的峰-峰值明顯增大,P4、P5監(jiān)測點的峰-峰值略有增大,說明此時空泡已對泵內(nèi)部流場產(chǎn)生顯著影響,引起了壓力脈動的變化;

由圖9(d)可知:在發(fā)展空化時,各監(jiān)測點的壓力脈動峰-峰值都有了顯著提高,約是未發(fā)生空化時的3倍。

接下來,筆者對各個監(jiān)測點的壓力脈動做快速傅里葉變換。

經(jīng)快速傅里葉變換,得到了未發(fā)生空化及不同空化階段的壓力脈動頻譜圖,如圖10所示。

圖10中,分別顯示了各監(jiān)測點在未空化時各壓力脈動監(jiān)測點的頻域圖,以及各監(jiān)測點在不同空化狀態(tài)下的頻域?qū)Ρ葓D。

由圖10(a)可知:未發(fā)生空化時,各監(jiān)測點的主頻均為葉頻及其諧頻。葉輪葉片在旋轉過程中,與蝸殼之間的動靜干涉作用始終占據(jù)主導;可以明顯看到,P2監(jiān)測點壓力脈動高于其他監(jiān)測點,約為其余監(jiān)測點主頻幅值的2～4倍;

圖10 未發(fā)生空化及不同空化階段的壓力脈動頻譜圖

由圖10(b)可知:初始空化發(fā)生時,各監(jiān)測點壓力脈動的頻域特征基本未發(fā)生改變;

由圖10(c)可知:臨界空化時,各監(jiān)測點的壓力脈動主頻均為轉頻;

P2的主頻幅值明顯降低,而P1、P3監(jiān)測點的主頻幅值明顯增大,P4、P5監(jiān)測點的主頻幅值略有增大,說明此時空泡已對泵內(nèi)部流場產(chǎn)生顯著影響;

由圖10(d)可知:在發(fā)展空化時,各監(jiān)測點的壓力脈動主頻均為轉頻;

各監(jiān)測點的壓力脈動主頻幅值都有了顯著提高,約是未發(fā)生空化的3倍。

4 結束語

由于目前針對離心泵的空化研究多集中在額定流量和小流量工況,缺少對大流量工況下空化現(xiàn)象,以及該工況下的空化與壓力脈動關系的研究。為此,筆者通過實驗測試泵內(nèi)不同程度空化現(xiàn)象,通過在蝸殼內(nèi)建立監(jiān)測點進行數(shù)值分析,研究了大流量工況下,不同空化階段,離心泵的壓力脈動情況,并且對離心泵的非定常空化流動特性進行了分析。

研究結果表明:

(1)采用全空化模型和Zwart-Gerber-Be1amri空化模型進行計算對比,得到了額定工況下臨界空化曲線;兩者與試驗值均有一定誤差,但是全空化模型計算結果與試驗值更為接近;

(2)隨著空化加劇,葉片吸力面的空穴區(qū)域不斷擴大,擠壓了流道內(nèi)流體的過流空間。流體被擠向靠近葉片壓力面處,此處流動變得通暢,而葉片吸力面上出現(xiàn)了大面積的流動分離,并在出口處形成較大漩渦;

(3)在不同空化狀態(tài)下,蝸殼上壓力脈動各監(jiān)測點的主頻均為轉頻或轉頻的諧頻;在發(fā)展空化狀態(tài)下,各監(jiān)測點的壓力脈動主頻幅值都有了顯著提高,約是未發(fā)生空化的3倍。

在下一研究階段,筆者擬對空化模型進行修正,以提高對離心泵空化的預測精度;并對小流量條件下,空化與渦流之間的交互影響進行研究,以此來揭示不同工況下的空化影響機理。