基于CFD技術(shù)的旋流泵優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

王秀禮, 朱榮生, 俞志君, 蘇保穩(wěn)

(1.江蘇大學(xué) 流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心,鎮(zhèn)江 212013;2.江蘇振華泵業(yè)制造有限公司,泰州 225500)

旋流泵屬于無(wú)堵塞泵,其在開(kāi)發(fā)出來(lái)較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)并未引起人們的廣泛關(guān)注,但隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,出現(xiàn)大量需要輸送固液兩相介質(zhì)的場(chǎng)所,在輸送一些溫度變化大、含固量高的介質(zhì)時(shí),普通結(jié)構(gòu)的渣漿泵容易堵塞,而旋流泵在輸送帶有較大顆粒和較長(zhǎng)纖維流體時(shí)所表現(xiàn)出的過(guò)流能力與運(yùn)行穩(wěn)定性日益受到人們的重視.

旋流泵的主要結(jié)構(gòu)特征是葉輪退縮在壓水室后面的泵腔內(nèi),葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí),在葉輪前面的無(wú)葉腔內(nèi)形成貫通流和循環(huán)流.貫通流通過(guò)葉輪葉片間流道進(jìn)入泵室而流出,循環(huán)流則在無(wú)葉腔內(nèi)循環(huán).因此在輸送含有固態(tài)顆粒的介質(zhì)時(shí),由于水流在進(jìn)入旋流泵葉輪之前已在環(huán)形蝸殼中將大部分顆粒從主流分離出去,因而葉輪磨損程度低、使用壽命長(zhǎng),但由于存在循環(huán)流,產(chǎn)生很大的水力損失,導(dǎo)致泵的效率較低,絕大多數(shù)泵的效率低于60%,造成很大的能源浪費(fèi)[1-2].

近20年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)旋流泵進(jìn)行了一系列的研究.夏朋輝、趙萬(wàn)勇、施衛(wèi)東等[3-6]通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法模擬了旋流泵內(nèi)部流場(chǎng);鄭銘、沙毅等[7-8]通過(guò)試驗(yàn)研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)旋流泵性能的影響.雖然通過(guò)這些研究得出了一些寶貴的結(jié)論,但是沒(méi)有說(shuō)明提高效率的具體措施.筆者在數(shù)值模擬與試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,研究了高低葉片對(duì)旋流泵水力性能的影響.

1 旋流泵內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬

1.1 旋流泵參數(shù)

WQX 50-8-2.2型潛水旋流泵的基本參數(shù)為:流量Q=50 m3/h,揚(yáng)程 H=8 m,轉(zhuǎn)速 n=1 470 r/min,葉片數(shù)Z=4,工作介質(zhì)為水.葉輪有3種:葉輪1,葉片等高;葉輪 2,葉片高度相差 8%;葉輪 3,葉片高度相差15%.葉輪的高低葉片相間排列.

1.2 數(shù)值模擬設(shè)置

數(shù)值計(jì)算采用三維定常雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程和RNG k-ε兩方程模型,計(jì)算方法為Segregated隱式方法;泵進(jìn)口采用速度進(jìn)口條件;采用動(dòng)靜雙參考系處理葉輪和蝸殼中的水流運(yùn)動(dòng)問(wèn)題,葉輪流道區(qū)域采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,轉(zhuǎn)速為1 470 r/min,蝸殼流道區(qū)域采用靜止坐標(biāo)系;采用Simp lec算法和二階迎風(fēng)格式離散差分方程進(jìn)行計(jì)算;設(shè)定各個(gè)速度分量及k、ε的收斂精度為10-5[9-10].

1.3 計(jì)算域及網(wǎng)格

采用Pro/E軟件進(jìn)行三維造型,如圖1(a)所示.用Gam bit軟件劃分網(wǎng)格,由于模型復(fù)雜,將其劃分為混合網(wǎng)格,計(jì)算模型共有約100萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元,計(jì)算域網(wǎng)格見(jiàn)圖1(b).筆者將旋流泵無(wú)葉腔和葉輪作為一個(gè)整體.

圖1 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格Fig.1 Computational domain and unstru ctured mesh

2 結(jié)果與分析

計(jì)算完成后,運(yùn)用Tecp lot軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行了必要的后處理,獲得所需要的計(jì)算結(jié)果.以葉輪的中點(diǎn)為坐標(biāo)點(diǎn),進(jìn)口方向?yàn)閥的正向,出口方向?yàn)閦的正向.圖2為旋流泵葉輪流道軸面流線圖.從圖2可以看出,葉輪流道中存在非常明顯的回流和旋渦,原因在于葉輪出口不是按照壓水室的中心對(duì)稱(chēng)分布的,位于壓水室斜面區(qū)域的水流先接觸到泵殼壁面而發(fā)生碰撞,從而產(chǎn)生回流,然后該回流又與剩余水流再次發(fā)生碰撞,從而使回流區(qū)域擴(kuò)大.

從圖2還可以發(fā)現(xiàn),上下半平面內(nèi)葉輪出口位置存在明顯的旋渦.在上半平面內(nèi),葉輪1的旋渦作用范圍最小,葉輪3的旋渦作用范圍最大,說(shuō)明流動(dòng)情況相當(dāng)復(fù)雜.在下半平面內(nèi),葉輪1和葉輪3葉片間的旋渦較葉輪2復(fù)雜.旋流泵的水力損失主要是由于旋流泵內(nèi)部流動(dòng)存在大量的回流與旋渦,從而導(dǎo)致了能量的耗散,降低了旋流泵的效率.

圖2 葉輪流道軸面流線圖Fig.2 M eridional stream line in flow path of impeller

圖3為軸向速度等值線分布圖.從圖3可以看出,軸向速度有正有負(fù),說(shuō)明流體確實(shí)存在流入、流出葉輪的過(guò)程,速度為正說(shuō)明流體由進(jìn)口流入葉輪,速度為負(fù)說(shuō)明流體由葉輪流出;速度為負(fù)的區(qū)域主要集中在上半平面(即靠近出口的位置),這是因?yàn)槿~輪出口不是按照壓水室的中心對(duì)稱(chēng)分布的,流體要想經(jīng)由葉輪做功后流出,必須以進(jìn)口相反的方向流動(dòng);葉輪2的速度絕對(duì)值高的區(qū)域面積比葉輪1和葉輪3的大,速度等值線比較混亂,說(shuō)明內(nèi)部流動(dòng)很復(fù)雜.

圖3 軸向速度等值線分布圖Fig.3 Axialvelocity isolines of impeller

圖4為葉輪總壓分布圖.由圖4可以看出:不同葉輪的總壓分布規(guī)律相同,葉輪1和葉輪3無(wú)葉腔中都有低壓區(qū),而葉輪2無(wú)葉腔中則沒(méi)有.圖5為絕對(duì)速度分布圖.由圖5可以看出,無(wú)葉腔靠近進(jìn)口的地方速度最小,靠近葉輪的地方速度較大,最大速度發(fā)生在葉輪靠近壁面處;在上半平面蝸殼內(nèi),由于流體要流出蝸殼,速度降低.

圖4 葉輪總壓分布圖(z=0)Fig.4 Totalp ressure distribu tion of im peller(z=0)

圖5 絕對(duì)速度分布圖(z=0)Fig.5 Absolu te velocity distribu tion of impeller(z=0)

圖6為蝸殼總壓分布圖.由圖6可以看出,在半徑較小的范圍內(nèi)壓力近似一個(gè)常數(shù),這主要是因?yàn)樾鞅糜休^寬的無(wú)葉腔,進(jìn)出口存在壓差,從而產(chǎn)生回流;由于流動(dòng)類(lèi)似于自由渦以及流體與蝸殼的耦合作用,在半徑超過(guò)葉輪半徑之外以及蝸殼喉部區(qū)域的靜壓分布不規(guī)則.

圖6 蝸殼總壓分布圖(y=0)Fig.6 Total pressu re distribution of volute(y=0)

在腔體的同一位置,葉輪2的總壓最大,葉輪3的總壓最小.在擴(kuò)散段出口處,葉輪2的總壓最大,葉輪3的總壓最小,這表明在相同流量下,葉輪2產(chǎn)生的揚(yáng)程最大.

3 試驗(yàn)研究

3.1 方案設(shè)計(jì)

潛水旋流泵性能試驗(yàn)是在具有B級(jí)精度的江蘇某泵廠的水泵開(kāi)式試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的.測(cè)試系統(tǒng)由潛水旋流泵、管路系統(tǒng)、壓力傳感器、渦輪流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥和二次儀表等組成,按照GB/T 12785—1991《潛水電泵實(shí)驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)從關(guān)死點(diǎn)開(kāi)始一直進(jìn)行到額定流量的200%左右,相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集和處理.

3.2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7.由圖7可見(jiàn),隨著高度差的增大,軸功率曲線幾乎平行上移,當(dāng)葉片的高度相差8%時(shí),葉輪的揚(yáng)程與效率曲線最佳.在設(shè)計(jì)流量點(diǎn),葉輪2的揚(yáng)程與效率最高,比葉輪 1的揚(yáng)程提高0.15 m,效率提高近3%.葉輪3的揚(yáng)程和軸功率均比葉輪1的低,但其效率比葉輪1的高.3種葉輪的軸功率曲線最后均趨于平緩,基本達(dá)到無(wú)過(guò)載狀態(tài).

圖7 水泵性能曲線試驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比Fig.7 Comparison of pump performance betw een simulated and experim en tal resu lts

采用帶高低葉片結(jié)構(gòu)葉輪的潛水旋流泵,通過(guò)改善壓水室流動(dòng)情況,減小了水力損失,提高了潛水旋流泵的揚(yáng)程和效率.但當(dāng)高度差超過(guò)最佳范圍后,泵的揚(yáng)程和效率開(kāi)始下降.對(duì)于此次潛水旋流泵試驗(yàn),當(dāng)葉片高度差為8%時(shí),水力性能較好.

4 結(jié) 論

(1)旋流泵無(wú)葉腔內(nèi)部存在較強(qiáng)的縱向旋渦和軸向旋渦,高低葉片能減小循環(huán)流損失,提高旋流泵的揚(yáng)程和效率.

(2)高低葉片對(duì)揚(yáng)程影響較小,但能夠顯著提高效率.

(3)當(dāng)葉片的高度相差8%左右時(shí),泵的揚(yáng)程和效率是最佳的,隨著葉片高度差的增加,泵的揚(yáng)程和效率開(kāi)始下降.

[1] 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)[M].北京:宇航出版社,1995:234-238.

[2] 汪永志,施衛(wèi)東,董穎,等.旋流泵的研究現(xiàn)狀與發(fā)展展望[J].排灌機(jī)械,2004,22(2):8-11.WANG Yongzhi,SH IWeidong,DONG Ying,eta l.Present status and development prospect of vortex pump[J].Drainageand Irrigation Machinery,2004,22(2):8-11.

[3] 趙萬(wàn)勇,王振,荊野,等.旋流泵不同流道參數(shù)對(duì)性能影響的數(shù)值分析[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,28(4):89-92.ZHAO Wanyong,WANG Zheng,JING Ye,et a l.Numerical analysis of the influence o f dif ferent flow parameters on the performance of vortex pumps[J].Journal of Xihua University:Science Edition,2009,28(4):89-92.

[4] 夏朋輝,劉樹(shù)紅,吳玉林.旋流泵全流道三維定常流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2006,27(3):420-422.XIA Penghui,LIU Shuhong,WU Yu lin.Numerical simulation o f steady flow in vortex pum p[J].Journal of Engineering Thermophysics,2006,27(3):420-422.

[5] 施衛(wèi)東,汪永志,沙毅,等.旋流泵內(nèi)部流動(dòng)的研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006,37(1):67-70.SHIWeidong,WANG Yongzhi,SHA Yi,etal.Research on the internal flow of vortex pump[J].Transactions of the Chinese Society for AgriculturalMachinery,2006,37(1):67-70.

[6] 施衛(wèi)東,汪永志,孔繁余,等.旋流泵無(wú)葉腔內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2005,21(9):72-75.SH IWeidong,WANG Yongzhi,KONG Fanyu,et a l.Numerical simulation of internal flow field w ithin the volute of vortex pump[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultura l Engineering,2005,21(9):72-75.

[7] 鄭銘,袁壽其,陳馳.旋流泵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)泵性能的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2000,31(2):46-49.ZHENG Ming,YUAN Shouqi,CHEN Chi.Influence of struc tura l parameter of a vortex pump on its performance[J].Transactions of the Chinese Society for AgriculturalMachinery,2000,31(2):46-49.

[8] 沙毅,楊敏官,唐燦,等.污水渣漿旋流泵設(shè)計(jì)及特性試驗(yàn)[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,26(2):154-157.SH A Yi,YANG M inguan,TANG Can,eta l.Design and performance experimentof sew age and slurry vortex pum p[J].Journal of Jiangsu University:National Science Edition,2005,26(2):154-157.

[9] STEPHAN B,THOMAS P,PEER S.Effects of impeller geometry on reliability and costs o f wastew ater pumps[J].World Pumps,2004(452):34-38.

[10] SAKR S A.Type curves for pum ping test analysis in coastal aquifers[J].Ground Water,2001,39(1):5-9.