低比轉(zhuǎn)速離心泵空化性能的數(shù)值模擬

典平鴿

(河南城建學(xué)院環(huán)境與市政工程系,河南 平頂山 467001)

離心泵是應(yīng)用非常廣泛的通用機(jī)械。在離心泵的設(shè)計(jì)和使用過程中,其空化性能通常是必須考慮的因素之一。離心泵在運(yùn)行過程中,當(dāng)泵內(nèi)部局部位置的壓力低于輸送液體汽化壓力時(shí),就會(huì)有氣泡產(chǎn)生,發(fā)生空化。當(dāng)離心泵內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重空化時(shí),會(huì)引起泵外特性的改變,產(chǎn)生振動(dòng)噪聲以及引起過流部件的腐蝕破壞[1-2],因此有必要對(duì)離心泵空化發(fā)生時(shí)的內(nèi)部流動(dòng)、氣泡分布規(guī)律及對(duì)泵外特性的影響等進(jìn)行深入研究。

目前對(duì)泵進(jìn)行研究主要有試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算[3-4]2種方法。試驗(yàn)是比較傳統(tǒng)的研究方法,由于空化機(jī)理的復(fù)雜性以及空化試驗(yàn)費(fèi)用高昂,對(duì)泵內(nèi)部的空化進(jìn)行試驗(yàn)研究進(jìn)展緩慢。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用ANSYS-CFD技術(shù)已經(jīng)能夠準(zhǔn)確地對(duì)泵的空化性能進(jìn)行預(yù)測(cè)以及對(duì)泵內(nèi)部空化發(fā)生時(shí)的氣液兩相流進(jìn)行分析[5-7]。本研究應(yīng)用ANSYS-CFX軟件,對(duì)比轉(zhuǎn)速為66的離心泵在設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行了空化性能的數(shù)值計(jì)算和分析,得到了泵空化時(shí)內(nèi)部氣液兩相流場(chǎng)的分布規(guī)律,對(duì)其在空化初生、臨界空化余量和許用空化余量時(shí)內(nèi)部氣液兩相的分布進(jìn)行了研究和探討,并對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 泵的設(shè)計(jì)參數(shù)

采用單級(jí)單吸軸向吸入型離心泵。主要設(shè)計(jì)參數(shù)為:流量 50m3/h,揚(yáng)程 50m,轉(zhuǎn)速 2950r/min,比轉(zhuǎn)速66。

2 數(shù)值計(jì)算模型和參數(shù)設(shè)置

計(jì)算區(qū)域由直錐形吸入室、四圓柱形葉片葉輪和螺旋形蝸殼3部分組成,為避免進(jìn)出口速度梯度較大而影響計(jì)算結(jié)果,對(duì)吸入室和蝸殼出口進(jìn)行了4倍管徑延伸。應(yīng)用ANSYS-CFX的前處理軟件ICEM-CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分,吸入室流道采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,由于模型的復(fù)雜性,對(duì)葉輪和蝸殼流道采用核心六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,在曲率半徑較小的部位采用了局部加密。吸水室、葉輪、蝸殼網(wǎng)格數(shù)分別為119408,436147,316061,網(wǎng)格總數(shù)為877 029。圖 1為計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格。

圖1 計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格

輸送介質(zhì)為25℃的清水,湍流模型選用較常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,空化模型為Rayleigh Plesset模型,25℃時(shí)水的汽化壓力為3169Pa。近壁面處選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),壁面邊界條件設(shè)為絕熱無滑移壁面,壁面粗糙度設(shè)為10 μ m。采用二階離散格式對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散,計(jì)算精度設(shè)為高精度,收斂精度設(shè)為10-5。由于氣泡發(fā)生時(shí)液體密度會(huì)發(fā)生變化,因此將泵內(nèi)部的流動(dòng)設(shè)為可壓縮流動(dòng)[8],在計(jì)算過程中考慮了熱傳導(dǎo)。

分析類型設(shè)為穩(wěn)態(tài),進(jìn)口邊界條件設(shè)為總壓進(jìn)口,通過調(diào)節(jié)進(jìn)口總壓,使泵內(nèi)部發(fā)生空化。進(jìn)口處水的體積分?jǐn)?shù)設(shè)為1,氣泡的體積分?jǐn)?shù)設(shè)為零。出口邊界條件設(shè)為質(zhì)量出口控制模型的流量。葉輪與蝸殼、吸水室交界面用frozen-rotor interface連接。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

本文臨界空化余量NPSHc為計(jì)算所得到的泵的揚(yáng)程下降 3%時(shí)的有效空化余量[9],有效空化余量NPSHA按式(1)進(jìn)行計(jì)算:

式中:ps為泵進(jìn)口處介質(zhì)流動(dòng)的絕對(duì)壓力,Pa;vs為泵進(jìn)口處介質(zhì)流動(dòng)的平均速度,m/s;pv為與輸送介質(zhì)溫度對(duì)應(yīng)的介質(zhì)汽化壓力,Pa;ρ為輸送介質(zhì)密度,kg/m3。

3.1 空化初生

圖2為最優(yōu)工況空化初生時(shí)氣泡在葉片表面的分布。從圖2中可以看出,當(dāng)空化初生時(shí)氣泡分布在葉片進(jìn)口背面靠近后蓋板的一個(gè)很小的低壓區(qū)域內(nèi)?？栈跎奈恢眉词请x心泵葉輪的壓力最低點(diǎn)[1]。當(dāng)空化初生時(shí),泵的NPSHA為17.53m,進(jìn)口總壓為175000Pa;而泵在最優(yōu)工況下的數(shù)值計(jì)算得到的NPSHc為2.73 m,此時(shí)泵的進(jìn)口總壓為30000Pa,這說明該泵在進(jìn)口壓力很高的時(shí)候就已經(jīng)發(fā)生了空化初生。但由于氣泡只在葉片進(jìn)口背面很小的局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生和破滅,因此并不會(huì)造成葉輪的空蝕破壞,也不會(huì)因氣泡堵塞流道而影響葉輪內(nèi)部的能量交換過程,從而引起泵外特性的改變。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析,泵在一般運(yùn)行工況下均已發(fā)生了空化初生。

圖2 空化初生時(shí)氣泡在葉片表面的分布(NPSHA=17.53m)

3.2 臨界空化余量時(shí)葉輪內(nèi)氣泡分布規(guī)律

圖3為在最優(yōu)工況點(diǎn)臨界空化余量時(shí)葉片表面和葉輪內(nèi)部的氣泡體積分?jǐn)?shù)。葉輪內(nèi)部氣泡體積分?jǐn)?shù)是在CFD-Post中通過Iso-surface創(chuàng)建的氣泡體積分?jǐn)?shù)占20%時(shí)的等體積分?jǐn)?shù)面。

圖3 臨界空化余量時(shí)葉片表面和葉輪內(nèi)部氣泡體積分?jǐn)?shù)(NPSHc=2.73m)

從圖3中可以明顯看出:臨界空化余量時(shí)氣泡已經(jīng)從空化初生時(shí)只分布在葉片的背面局部低壓區(qū)域擴(kuò)展到葉片工作面,占據(jù)了部分流道,并且氣泡在葉片表面和葉輪內(nèi)部的分布不具有對(duì)稱性。

由于低比轉(zhuǎn)速離心泵葉輪的流道狹長(zhǎng)、內(nèi)部液體流速高。因此當(dāng)氣泡產(chǎn)生時(shí)會(huì)迅速向葉輪流道和葉片表面擴(kuò)散,在高壓區(qū)域破滅。隨著有效空化余量的降低,氣泡的產(chǎn)生量將增加,其向出口部位的擴(kuò)散程度也增加,從而改變了葉輪內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài),造成對(duì)流道的堵塞,影響葉輪內(nèi)部的能量交換過程,在外特性上表現(xiàn)為外特性曲線的下降。氣泡在葉片表面和葉輪內(nèi)部不對(duì)稱分布是由于離心泵內(nèi)部流動(dòng)是低速流動(dòng),葉輪內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)將會(huì)受到蝸殼等葉輪之后過流部件流動(dòng)狀態(tài)的影響。由于蝸殼的不對(duì)稱,以及葉輪與蝸殼之間的漩渦、回流等引起的壓力脈動(dòng)等因素使葉片不同流道內(nèi)部液體的壓力分布不對(duì)稱。根據(jù)對(duì)氣泡在葉輪內(nèi)部的分布可知,對(duì)于低比轉(zhuǎn)速離心泵而言,如果泵長(zhǎng)期在臨界空化余量工況下運(yùn)行,葉輪將會(huì)產(chǎn)生空蝕。

3.3 許用空化余量時(shí)葉輪內(nèi)氣泡分布規(guī)律

泵的許用空化余量為[NPSH]=NPSHc+k(通常k取0.3～0.5m)。本文在泵的許用空化余量為3.23m(k取0.5m)時(shí),對(duì)葉輪內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了研究,得出了許用空化余量時(shí)葉輪內(nèi)部氣液兩相的分布。圖4為許用空化余量時(shí)葉輪內(nèi)部氣泡分布情況。

圖4 許用空化余量時(shí)葉片表面和葉輪內(nèi)部氣泡分布(NPSHA=3.23m)

從圖4中可以看出,許用空化余量時(shí),葉片表面和葉輪內(nèi)部的氣泡體積分?jǐn)?shù)較臨界空化余量時(shí)已經(jīng)減少很多,但是氣泡仍占據(jù)部分流道,并在葉片的表面有少量分布,由于空化是一個(gè)包含有機(jī)械、物理、化學(xué)、電解等復(fù)雜的過程,空化初生在許用空化余量之前早已發(fā)生,并且k的取值并不確定。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析,如果低比轉(zhuǎn)速離心泵在許用空化余量的工況下長(zhǎng)期運(yùn)行,有可能會(huì)造成對(duì)葉輪的空蝕。國(guó)外在葉輪水力設(shè)計(jì)時(shí)有NPSH40000h的概念[2],即泵運(yùn)行40000h而不產(chǎn)生空蝕的空化余量,并進(jìn)行了深入研究,文獻(xiàn)[10]給出了經(jīng)驗(yàn)公式。文獻(xiàn)[11]推薦NPSH40000h為F與NPSHc的乘積,F為安全系數(shù),F≈1.5(或2.0)(F在大流量時(shí)取大值,在小流量時(shí)取小值)。這對(duì)于國(guó)內(nèi)流體機(jī)械行業(yè)對(duì)泵內(nèi)空化深入研究具有一定的借鑒意義。

4 數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確性驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性,按照標(biāo)準(zhǔn)[9]對(duì)該泵進(jìn)行了空化試驗(yàn)。采用閉式試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn),通過真空泵控制吸入口的真空度,使泵發(fā)生空化,記錄進(jìn)出口壓力、水溫、軸功率、轉(zhuǎn)速等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖 5為試驗(yàn)裝置示意圖。

圖5 試驗(yàn)裝置示意圖

圖6 試驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果比較

圖6(a)為最優(yōu)工況時(shí)試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算得到的有效空化余量與揚(yáng)程之間的關(guān)系曲線比較,圖6(b)為不同流量時(shí)試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算得到的臨界空化余量與流量之間的關(guān)系曲線比較。從圖6中可以看出,該泵最優(yōu)工況時(shí)試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算得到的臨界空化余量分別為2.82m和2.73m,最大相對(duì)誤差為 6.7%。產(chǎn)生誤差的原因可能是泵的鑄造誤差、數(shù)值耗散誤差、壁面粗糙度的設(shè)置等。從試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果來分析,數(shù)值計(jì)算具有較高的精確度。

5 結(jié) 論

a.通過對(duì)一臺(tái)低比轉(zhuǎn)速離心泵進(jìn)行空化性能試驗(yàn)與數(shù)值研究,驗(yàn)證了應(yīng)用數(shù)值方法預(yù)測(cè)泵空化的準(zhǔn)確程度;對(duì)泵空化發(fā)生時(shí)的內(nèi)部氣液兩相流場(chǎng)進(jìn)行分析,得到了泵發(fā)生空化時(shí)葉輪內(nèi)部氣泡的分布規(guī)律。

b.通過對(duì)泵的空化初生、臨界空化余量、許用空化余量時(shí)葉輪內(nèi)部氣泡分布規(guī)律的研究,指出低比轉(zhuǎn)速泵在進(jìn)口壓力較高時(shí)已經(jīng)發(fā)生了空化初生;泵在臨界空化余量和許用空化余量運(yùn)行時(shí),氣泡在葉輪內(nèi)部分布較多,有可能對(duì)葉輪產(chǎn)生空蝕破壞。研究成果對(duì)進(jìn)一步深入研究離心泵空化具有一定的參考價(jià)值。

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