化工流程泵水力性能分析與試驗研究

尚勇，劉家歡，雷洋，曾永忠

（1.四川省自貢工業泵有限責任公司，四川自貢 643031；2.西華大學能源與動力工程學院，成都 610039）

0 引言

化工流程泵自身結構導致其內部流動極為復雜，因此對化工流程泵內部流動特性的觀察和研究就變得極為繁瑣和困難。業內通常采用試驗的方法對化工流程泵的內部流動特性進行研究，但通常實驗方法所需的設備種類多、精度高、專業性強、耗費成本高、實驗周期長、不確定因素多等不足。伴隨云計算、大數據及存儲技術的迅猛發展，國內外諸多機構及科研院所廣泛應用CFD計算方法研究輸送流體的旋轉機械內部流動及性能分析，因此借助計算機進行模擬分析，對離心式泵流動特性進行模擬及分析的方法日益普及[1-10]。

本文借助CFD軟件，采用S-A湍流模型與N-S方程對化工流程泵三維內流場進行數值模擬計算分析，探尋蝸殼及葉輪流道內的流場分布及水力性能，并進行試驗研究及數據結果對比。

1 數值計算方法

1.1 計算選用湍流模型

計算采用S-A湍流模型，該模型處理具有避免邊界條件的空氣流動問題，尤其對于在邊界層中具有逆向壓力梯度的問題，計算結果證明非常有效[11]。其相應的輸運方程為

1.2 幾何模型及流道網格劃分

如圖1、圖2所示，構建3D模型，將計算域模型導入GTURBO軟件，并生成結構化網格。

圖1 化工流程泵葉輪、蝸殼3D模型圖

圖2 化工流程泵葉輪、蝸殼結構化網格圖

1.3 邊界條件設置

1）進水邊界條件。假設葉輪進水無旋流動、壓力均勻分布，由質量守恒定律計算進水軸向速度。2）出水邊界條件。出水口界條件設置為標準大氣壓，離心泵設計參數如表1所示。

表1 化工流程泵設計參數

1.4 數值計算

借助Fluent軟件，在不同進水流速下，對葉輪內部三維流動及水力性能進行數值計算，分別對流量工況為0.52Qopt、0.69Qopt、0.85Qopt、Qopt、1.19Qopt、1.35Qopt進行數值計算結果對比分析。

模擬收斂準則：1）殘差計算收斂精度為10-5，設置性能參數（如推進輪軸向力、葉片轉距等）隨計算迭代步數增加呈脈動分布；2）若預測計算結果存在大分離狀態，則各性能設置參數只需呈周期脈動變化，即可視計算結果滿足預期要求。

2 數值模擬結果及分析

2.1 葉輪中間截面及蓋板前、后流面壓力分布

葉輪中間截面及前、后蓋板壓力分布如圖3～圖5所示，分析表明：1）流量為0.52Qd時，葉輪靠近蝸舌的流道截面內，壓力分布離散，吸力面靠近葉片進水邊局部范圍出現負壓區，該負壓區通常在泵進水流量較小時出現，且該負壓區易對葉輪造成氣蝕破壞，與泵實際運行產生的結果相吻合；2）葉輪外緣出水邊，壓力隨流量的增大，出水面壓力增大，吸力面靠近葉片進水邊范圍出現的負壓區范圍逐漸縮小，流量為Qd時，葉輪進水到出水壓力變化均勻；3）流量小于Qd時，葉輪入水面到出水面壓力與流量變化趨勢相同，壓力分布改善明顯；流量大于Qd時，從葉輪前蓋板進水到出水壓力分布隨著流量的增大呈惡化發展趨勢，葉輪中間截面及后蓋板流面壓力呈漸進變化。

圖3 葉輪中間截面壓力分布

圖4 葉輪前蓋板壓力分布

圖5 葉輪后蓋板壓力分布

2.2 葉蝸內流面壓力分布

蝸殼內流面壓力分布如圖6所示，分析表明：1）流量小于Qd時，靠近第Ⅲ斷面、第Ⅴ斷面、第Ⅷ的蝸殼內產生低壓區，高壓區在蝸殼第Ⅱ、第Ⅳ、第Ⅶ斷面附近產生，隨進水流量增加，緊鄰蝸殼進水的葉輪出水位置壓力逐漸增大，蝸殼出水段區域壓力最高；2）流量大于Qd時，蝸殼內壓力較高的區域未出現顯著變化，低壓區由蝸殼的第Ⅷ斷面逐漸向第Ⅸ截面偏移；3）工況偏大流量時，蝸殼出水壓力較蝸殼內壓力低，隨流量增大蝸殼出水呈逐漸降低趨勢。

圖6 蝸殼內流面壓力分布

2.3 葉輪中截面速度矢量分布

葉輪中截面速度矢量分布如圖7所示，分析表明：1）流量為0.52Qd時，大尺寸渦流在葉輪靠近蝸殼的第Ⅸ斷面的流道內出現，葉輪在該區域的整個流道幾乎均被該渦流占據，造成葉輪內部流動的嚴重阻塞；2）流量小于Qd時，該渦流的強度隨流量增加而削弱，且該渦流逐漸向葉輪出水靠近，流量大于Qd時，該渦流消失；3）流量增加，葉輪外緣相對速度逐步增加，葉輪出水出流角增大，加劇對蝸殼壁面的沖擊，液流水力損失加劇，能耗增加。

圖7 葉輪中截面速度矢量分布

3 試驗與計算數據對比

公司設計生產用泵均在公司水泵測試中心進行，本次試驗借助我公司B級精度水泵測試系統，對該該離心泵水力性能進行運轉測試，試驗場地如圖8所示。在不同進水流量下，泵水力性能試驗與計算特性曲線如圖9所示。

圖8 公司測試中心場地布置圖

圖9 不同流量下泵Q-H、Q-η模擬與試驗曲線對比

分析圖9可知：1）本次數值計算是對模型做了一些假定前提，如壁面光滑、未考慮圓盤摩擦能量損失等，不同測試及計算參數下，離心泵水力性能的計算η和H略高；2）化工流程泵葉片為3枚，進水流量超過設計流量時，葉輪出水徑向速度增大，流道對液流約束力不強，蝸殼內壁面受流體撞擊增強，能量損失大，揚程降低；3）設計流量時，二者偏差小，揚程絕對誤差為1.4%，效率絕對誤差為0.82%；4）在0.52Qd與1.33Qd流量時，二者誤差增大，揚程絕對誤差為1.83%，效率絕對誤差為1.45%。5）綜上可知：在一定流量范圍內，數值模擬能夠比較真實準確地反映旋轉機械內部的復雜三維流動，對旋轉機械水力性能進行有效預測。

4 結論

借助流體分析軟件，對離心泵葉輪進行數值分析及試驗驗證。由模擬及試驗結果分析可得出如下結論。

1）小流量工況下，吸力面靠近葉片進水邊局部范圍出現負壓區，該負壓區在泵進水流量較小時易產生，該負壓區易對葉輪造成氣蝕破壞，與泵實際運行結果相吻合。

2）小流量工況下，大尺寸渦流在葉輪靠近蝸殼的第Ⅸ斷面的流道內出現，葉輪在該區域的整個流道幾乎均被該渦流占據，造成葉輪內部流動的嚴重阻塞。

3）流量增加，葉輪外緣相對速度逐步增加，葉輪出水出流角增大，加劇對蝸殼壁面的沖擊，液流水力損失加劇，能耗增加。

4）數值計算對預測旋轉機械內部復雜三維流動及水力性能進行預測的數值模擬分析可靠；為從事與水力機械相關的設計和研發人員提供了一種水力性能研究的有效途徑。