氣液兩相下離心泵流動(dòng)特性研究

摘" " " 要： 基于CFX軟件中的Eulerian-Eulerian非勻相流模型，對(duì)某型離心泵內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行仿真模擬。結(jié)果表明：隨著進(jìn)口含氣率增加，葉輪流道內(nèi)流體分布不均勻度增加，葉輪對(duì)流體做功能力下降，同時(shí)離心泵葉輪流道會(huì)出現(xiàn)氣體積聚區(qū)域，且部分流道被氣體嚴(yán)重堵塞；氣液兩相工況下，葉輪流道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的渦旋，隨著進(jìn)口含氣率增加，葉輪流道內(nèi)的流體湍動(dòng)程度及渦旋擴(kuò)散范圍也隨之增大，造成泵的揚(yáng)程、效率降低。

關(guān)" 鍵" 詞：離心泵；氣液兩相；流動(dòng)特性；仿真計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：TH311" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " "文章編號(hào)： 1004-0935（2023）02-0232-03

由于離心泵具有體積小、重量輕、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防工業(yè)等行業(yè)中有廣泛應(yīng)用 [1-2]。由于離心泵在氣液兩相工況下，易出現(xiàn)流量、揚(yáng)程大幅度波動(dòng)，甚至出現(xiàn)氣縛[3]，對(duì)生產(chǎn)及武器裝備的可靠運(yùn)行，產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣液兩相下泵的流動(dòng)特性進(jìn)行了大量研究。王冕[4]采用Fluent軟件對(duì)Q25H52離心泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了氣液兩相條件下泵內(nèi)部壓力、速度及氣相分布規(guī)律。付強(qiáng)等[5]基于CFX軟件，研究了葉輪葉片進(jìn)口邊位置對(duì)核主泵氣-液兩相流動(dòng)特性的影響，得到泵內(nèi)壓力脈動(dòng)特性。張有忱等[6]采用Fluent的RNG k-ε湍流模型，進(jìn)行了氣液兩相流工況下迷宮螺旋泵的模擬計(jì)算，得到了流道內(nèi)不同截面上的壓力、速度以及含氣率分布。

離心泵在氣液兩相工況下運(yùn)行極不穩(wěn)定，易出現(xiàn)流量、揚(yáng)程大幅度波動(dòng)。為進(jìn)一步提升離心泵運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性，本文對(duì)氣液兩相工況下的離心泵流動(dòng)特性進(jìn)行研究。

1" 幾何模型及網(wǎng)格劃分

1.1" 模型泵

以某型離心泵作為研究對(duì)象，其主要性能參數(shù)：額定流量Q=7 m3·h-1、揚(yáng)程H=37.5 m、轉(zhuǎn)速n=6 000 r·min-1，比轉(zhuǎn)數(shù)ns=63.7。主要設(shè)計(jì)幾何參數(shù)為：葉輪進(jìn)口直徑Dj=28 mm，葉輪出口直徑D2=84 mm，葉輪出口寬度b2=4 mm，葉片數(shù)Z=6。

1.2" 網(wǎng)格劃分

采用Pro/E三維軟件對(duì)葉輪、蝸殼進(jìn)行建模，為了保證計(jì)算準(zhǔn)確性，在葉輪進(jìn)口、蝸殼出口增加延伸段。采用ICEM對(duì)計(jì)算域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對(duì)葉輪進(jìn)出口邊、蝸殼隔舌等部位網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，并進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證[7]。

2" 數(shù)值計(jì)算方法及邊界條件

采用ANSYS-CFX進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，基于Eulerian-Eulerian非勻相流模型對(duì)計(jì)算域求解[8]，液相選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，氣相選用湍流零方程模型。模擬時(shí)采用直徑遠(yuǎn)小于流道尺寸的球形氣泡，并考慮氣液兩相間的能量傳遞、速度滑移作用，并做如下假設(shè)：（1）液相為連續(xù)相、氣相為不可壓縮離散相；（2）忽略氣液兩相間的傳質(zhì)傳熱；（3）進(jìn)口氣相體積分?jǐn)?shù)為常數(shù)[9]。

在CFX中設(shè)置葉輪流道區(qū)域?yàn)樾D(zhuǎn)坐標(biāo)系，葉輪-蝸殼、葉輪-進(jìn)口段、蝸殼-出口段接觸面采用交界面連接。固壁面采用對(duì)空泡自由滑移、對(duì)液相無(wú)滑移的邊界條件，近壁區(qū)的壁面函數(shù)采用scalable。設(shè)置壓力進(jìn)口與速度出口邊界條件，在進(jìn)口設(shè)置氣液兩相體積分?jǐn)?shù)來(lái)控制進(jìn)口含氣率（文中的進(jìn)口含氣率均指氣相占混合相的體積分?jǐn)?shù)，inlet gas volume fraction簡(jiǎn)稱(chēng) IGVF），本文主要分析了進(jìn)口含氣率為0%、2.5%、5%、7.5%和10%的工況下的離心泵流動(dòng)特性。

3" 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1" 壓力分布

圖1為不同進(jìn)口含氣率工況下葉輪中截面壓力分布圖。由圖中可以看出：在葉輪進(jìn)口位置的葉片吸力面存在局部低壓區(qū)，由于葉片對(duì)流體做功，流道內(nèi)壓力隨著葉輪半徑增大而逐漸增大；隨著進(jìn)口含氣率增大，靠近葉片吸力面的低壓區(qū)范圍也隨之增大，葉片工作面高壓區(qū)范圍隨之減小，且葉輪流道內(nèi)的壓力分布也更加不均勻。這主要是由于隨著進(jìn)口含氣率增大，氣泡排擠作用使部分葉輪流道過(guò)流面積減少、流體分布不均勻度增加，葉片對(duì)流體做功能力下降，同時(shí)，氣液兩相間的滑移作用，會(huì)產(chǎn)生較大的能量損失，造成葉輪內(nèi)壓力值隨進(jìn)口含氣率增加而降低。

3.2" 氣相體積分布分析

圖2為不同進(jìn)口含氣率工況下葉輪中截面含氣率分布圖。

由圖中可以看出，在進(jìn)口含氣率為2.5%時(shí)，氣體主要積聚在葉片工作面進(jìn)口處；隨著進(jìn)口含氣率增大，氣相逐漸向葉輪流道中間位置擴(kuò)散，氣體積聚范圍也隨之?dāng)U大；當(dāng)進(jìn)口含氣率達(dá)到7.5%時(shí)，葉輪流道內(nèi)出現(xiàn)了大范圍的氣體積聚現(xiàn)象，部分流道被大量氣體堵塞；進(jìn)口含氣率為10%工況與進(jìn)口含氣率為7.5%工況相比，氣體積聚的影響范圍有所擴(kuò)大。結(jié)合圖1可知，發(fā)生氣體積聚的主要區(qū)域也是壓力較低的區(qū)域。這主要是由于氣體積聚導(dǎo)致流道內(nèi)流體分布不均勻，葉輪對(duì)該部分流體做功不充分，造成含氣率較高的流道內(nèi)流體獲得能量較小。

3.3" 湍動(dòng)能分布分析

圖3為不同進(jìn)口含氣率工況下葉輪中截面湍動(dòng)能分布圖。由圖3可知，隨著進(jìn)口含氣率增大，葉輪流道內(nèi)的流體湍動(dòng)程度及湍流擴(kuò)散范圍也隨之增大，這主要是因?yàn)楹瑲饴试龃螅~片對(duì)流體做功更加不均勻，部分高能流體受到離心力影響，與流道內(nèi)的低速流體相互碰撞，從而導(dǎo)致流體湍動(dòng)程度及湍流擴(kuò)散范圍變大。由圖中也可以看出，部分葉輪流道存在高湍動(dòng)能區(qū)，且高湍動(dòng)能區(qū)主要集中在靠近進(jìn)口區(qū)域葉片吸力面和出口區(qū)域葉片工作面，這是由于流體流經(jīng)葉片進(jìn)口邊位置時(shí)，葉片吸力面會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生較強(qiáng)的卷吸作用，速度變化較劇烈，從而導(dǎo)致進(jìn)口區(qū)域葉片吸力面湍動(dòng)能較大；而高速旋轉(zhuǎn)的液體從葉輪流道流出后，進(jìn)入蝸殼流道區(qū)域，流體受到葉片出口邊工作面較強(qiáng)的剪切作用，湍動(dòng)程度較大且速度變化比較劇烈，因而湍動(dòng)能較大。

3.4" 渦量分布分析

圖4為不同進(jìn)口含氣率工況下葉輪中截面渦量分布圖。渦是渦量集中的區(qū)域，渦量極大的地方一般是渦的中心[10]。由圖4可知，在進(jìn)口含氣率為0%的時(shí)候，僅在靠近蝸殼隔舌位置的葉輪出口存在較大的渦量分布，葉輪流道內(nèi)未出現(xiàn)明顯的渦旋區(qū)域；隨著進(jìn)口含氣率增大，葉輪流道內(nèi)出現(xiàn)渦量較大的區(qū)域，且渦量分布范圍也隨之?dāng)U大，這表明泵輸送液體中含有氣體時(shí)，流道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的渦旋，且含氣率增大會(huì)導(dǎo)致渦旋的影響范圍擴(kuò)大，渦旋的生成、傳播及其能量耗散也是造成流量、揚(yáng)程波動(dòng)的主要因素。

3.5" 離心泵揚(yáng)程及效率分析

表1為不同含氣率下離心泵揚(yáng)程及效率變化記錄。

可以看出，隨著進(jìn)口含氣率增大，揚(yáng)程及效率均隨之降低，造成揚(yáng)程及效率下降的主要原因是：1）進(jìn)口含氣率增大，流道內(nèi)氣液兩相分布不均勻度增加，葉輪對(duì)流體做功不充分，使揚(yáng)程、效率下降；2）隨著進(jìn)口含氣率增大，由于氣液兩相間存在滑移作用，會(huì)出現(xiàn)氣體聚集、堵塞流道的現(xiàn)象，誘發(fā)葉輪流道內(nèi)出現(xiàn)較大的渦旋、湍動(dòng)能損耗，造成揚(yáng)程、效率降低。

4" 結(jié) 論

根據(jù)CFD數(shù)值模擬結(jié)果分析，得到以下結(jié)論：

1）隨著進(jìn)口含氣率增加，離心泵葉輪對(duì)流體做功能力下降，葉輪內(nèi)壓力逐漸降低。

2）隨著進(jìn)口含氣率增加，離心泵葉輪流道出現(xiàn)氣體積聚區(qū)域，部分流道會(huì)被氣體嚴(yán)重堵塞；氣體積聚的主要區(qū)域也是壓力較低的區(qū)域。

3）葉輪流道內(nèi)的流體湍動(dòng)程度及湍流擴(kuò)散范圍隨著進(jìn)口含氣率增大而增大。

4）氣液兩相工況下，葉輪流道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的渦旋，且渦旋的影響范圍隨含氣率增大而增大。

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Study on the Flow Characteristics of the Centrifugal Pump

Under Gas-liquid Two-phase Flow

XING Shu-bing， LI Xue-hai， LI Hang， HAO Wei-min， GAO Xin-long

（No.18 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Tianjin 300384， China）

Abstract：" Based on the Eulerian-Eulerian inhomogeneous multiphase flow model in the CFX software，the flow internal characteristics of the centrifugal pump were simulated. The results showed that， with the increasing of IGVF （inlet gas volume fraction）， the unevenness of the fluid distribution in the impeller flow channel increased， and the impeller's ability to work on the fluid decreased. There were some gas accumulation areas in the flow channel of the impeller， and part of the flow channels were seriously blocked by gas. Under the gas-liquid two-phase condition， large vortexes were generated in the impeller channels. The degree of the fluid turbulence and the range of vortex diffusion in the impeller flow channels gradually expanded with the increasing of IGVF， resulting in a decrease in the pump head and efficiency.

Key words： Centrifugal pump; Gas-liquid two-phase flow; Flow characteristics; Simulation