氣液兩相多級液力透平的全流道數(shù)值模擬

(蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

液力透平可以將高壓液體的壓力能回收轉(zhuǎn)化為透平轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)機械能，并驅(qū)動泵、風(fēng)機等工作機做功或者用于發(fā)電[1-3]。目前，液力透平裝置已廣泛應(yīng)用于石油化工、海水淡化、冶金處理過程中的余壓液體能量的回收等節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域。

泵反轉(zhuǎn)做液力(pump as turbine，簡稱PAT)透平具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、便于維修、性能可靠、應(yīng)用廣泛、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點，是液力透平的主要形式之一，它包括單級和多級結(jié)構(gòu)[2-6]?；厥諌侯^較高的余壓液體的壓力能，可用多級泵反轉(zhuǎn)做液力透平。工程應(yīng)用中高壓液體中常含有一定量的氣體，因此研究氣液兩相介質(zhì)的多級液力透平具有重要意義。

目前對液力透平的研究，主要集中在根據(jù)泵的工況性能來預(yù)測透平的工況性能以及二者之間的性能換算關(guān)系[2-5]、泵正反轉(zhuǎn)的水力特性的研究等方面[6-7]。文獻[2]研究了純水介質(zhì)的多級離心泵做液力透平的數(shù)值模擬和性能預(yù)測。對泵反轉(zhuǎn)做液力透平的研究主要采用理論推導(dǎo)、試驗、數(shù)值模擬等方法[1-7]。本文基于CFD軟件對多級離心泵在純水介質(zhì)和入口氣體體積含氣率(即Gas Volume Fraction，縮寫為GVF)為0.10的氣液兩相介質(zhì)時的液力透平進行數(shù)值試驗研究，分析其在最優(yōu)工況的外特性和內(nèi)部流動規(guī)律，以及在大流量和小流量工況下的氣體分布，為多級泵反轉(zhuǎn)做液力透平結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供參考。

1 模型的建立與網(wǎng)格劃分

以DG85-80五級節(jié)段式鍋爐給水離心泵反轉(zhuǎn)做多級液力透平。多級泵的基本結(jié)構(gòu)為準螺旋形吸入室、環(huán)形壓出室和徑向?qū)~，其基本參數(shù)如表1所示。用PRO/Engineer5.0生成多級離心泵內(nèi)部三維流動區(qū)域計算模型[8]，如圖1所示。

表1 多級離心泵設(shè)計參數(shù)

圖 1 多級離心泵三維流道模型

為適應(yīng)多級離心泵過流部件(吸入室、壓出室和各級葉輪、正反導(dǎo)葉)的復(fù)雜形狀，在Gambit中采用四面體和六面體網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格劃分各個流道模型內(nèi)的流體，并完成部分邊界條件的設(shè)定。吸入室和壓出室的網(wǎng)格數(shù)為40萬5 778和40萬1 976；第1級到第5級葉輪的網(wǎng)格數(shù)分別為32萬4 593、46萬1 819、46萬1 689、46萬1 667、46萬1 868；第1級到第5級導(dǎo)葉的網(wǎng)格數(shù)分別為28萬6 166、28萬2 479、28萬2 835、28萬1 989、13萬3 789；全流道模型的網(wǎng)格總數(shù)為424萬6 648個。在Fulent中對泵入口流量為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2qv,bep時進行數(shù)值模擬，得到純水介質(zhì)時多級離心泵的外特性曲線，如圖2所示。

圖 2 純水介質(zhì)時多級離心泵的外特性曲線

2 數(shù)值模擬的計算方案

在Fluent中分別對多級離心泵在純水介質(zhì)的透平工況和入口GVF為0.10的氣液兩相介質(zhì)的透平工況在不同流量下進行數(shù)值試驗研究，并分析總結(jié)其外特性和內(nèi)部流動特性。

2.1 基本假設(shè)及邊界條件

在Fluent中選取工作介質(zhì)為清水和氣液兩相介質(zhì)，基本假設(shè)：純水為連續(xù)不可壓縮流體，氣體為連續(xù)可壓縮理想氣體；氣液兩相介質(zhì)中純水為主相，氣體為次相，認為氣液兩相介質(zhì)均勻混合，介質(zhì)在透平流道內(nèi)穩(wěn)定流動；兩相介質(zhì)之間不存在相變和傳質(zhì)；介質(zhì)流經(jīng)設(shè)備時間很短，散熱很小，和外界無熱交換，忽略氣相與液相介質(zhì)之間的熱量交換；膨脹和壓縮引起的氣體內(nèi)能變化與氣體膨脹功相比要小很多，不考慮氣體壓縮、膨脹時內(nèi)能的變化。

邊界條件設(shè)置為質(zhì)量進口，壓力出口，余壓設(shè)置為0.5 MPa，以供設(shè)備后續(xù)運行，收斂精度為10-4。壁面條件：在葉片表面等固體壁面上，速度滿足無滑移條件，即相對速度ω=0；對于近壁附近流動區(qū)采用標準壁面函數(shù)法確定。

2.2 湍流模型

數(shù)值模擬選用多重參考坐標系(MRF), 設(shè)置葉輪區(qū)域為旋轉(zhuǎn)坐標系?；跁r均化的N-S方程，采用標準κ-ε湍流模型，連續(xù)性方程、動量方程、湍動能方程和湍動能耗散方程均采用一階迎風(fēng)格式進行離散計算；氣液滑移計算方式選用manninen-et-al，多相流模型采用Mixture模型；壓力-速度耦合求解使用SIMPLE算法；計算類型為穩(wěn)態(tài)[9]。

3 最優(yōu)工況透平特性

3.1 多級液力透平的外特性

式(1)、式(2)為氣液兩相介質(zhì)的液力透平壓頭和效率的計算公式[10]。

(1)

(2)

式中：H為透平的壓頭，m；χ為氣體質(zhì)量含氣率；g為重力加速度，m/s2；pd、ps分別為透平進、出口總壓，pa；vd、vs為透平進、出口介質(zhì)速度，m/s；zd、zs為進、出口到基準面的垂直高度，m；R為氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度，K；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；下標d為透平進口，下標s為透平出口，下標g和l分別為氣體介質(zhì)和液體介質(zhì)；η為透平水力效率；M為透平輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；ρl，g為氣液混合介質(zhì)密度；Q為混合介質(zhì)體積流量，m3/h；ω為轉(zhuǎn)速,r/min。

圖3、圖4為多級液力透平在純水介質(zhì)和入口GVF為0.10的氣液兩相介質(zhì)時的外特性曲線。可知：隨著流量的增大，純水透平和氣液兩相透平的壓頭和功率均逐漸增大，通過水力效率曲線可以看出純水介質(zhì)的透平在未到達最優(yōu)效率之前曲線較為平坦，而之后效率下降的梯度較大；氣液兩相透平在最優(yōu)工況點的壓頭、功率比純水透平高，而水力效率較純水透平低，其高效率運行區(qū)域比純水透平小，隨流量的增大水力效率下降的梯度增大。

圖 3 純水介質(zhì)時液力透平的外特性曲線

圖 4 氣液兩相介質(zhì)時液力透平外特性曲線

3.2 多級液力透平的內(nèi)流場分析

3.2.1 靜壓力分布

圖5為入口混合介質(zhì)的氣體體積分數(shù)為0.10的氣液兩相介質(zhì)的液力透平第1、3、5級葉輪、導(dǎo)葉的靜壓分布云圖?？芍和钙綇恼龑?dǎo)葉入口到葉輪出口的壓力遞減，在導(dǎo)葉和葉輪的交界面處壓力等值線波動較大，這是由于葉輪和導(dǎo)葉動靜干涉導(dǎo)致的壓力損失；葉片工作面壓力大于葉片背面壓力；導(dǎo)葉、葉輪各流道中，壓力分布不完全對稱，壓力沿流線和過水斷面形成線的變化不均勻，導(dǎo)葉流道內(nèi)的壓力梯度變化大于葉輪，導(dǎo)葉凸面壓力大于凹面；隨著級數(shù)增加，壓力下降，各級葉輪導(dǎo)葉的進出口壓差也隨之增大，導(dǎo)葉葉輪各流道內(nèi)的壓力變化梯度增大，壓力分布的不均勻性增加。

3.2.2 速度矢量分布

圖6為入口混合介質(zhì)氣體體積分數(shù)為0.10的氣液兩相介質(zhì)的液力透平第1、3、5級葉輪、導(dǎo)葉的相對速度分布云圖。如圖6所示，混合介質(zhì)在透平葉輪、導(dǎo)葉流道內(nèi)的流動總體上比較穩(wěn)定，隨級數(shù)增加，各級葉輪、導(dǎo)葉流道內(nèi)的流速增加。這是由于隨流道內(nèi)壓力減小，氣體膨脹加劇，流體速度變大，兩相介質(zhì)之間的耦合作用加強，互相影響和帶動，氣液兩相介質(zhì)的相對運動使葉輪流道內(nèi)流體流動有所改善。從透平的正導(dǎo)葉入口到出口速度增大，導(dǎo)葉-葉輪交界面的速度快速減小后，再到葉輪出口的過程中速度又逐漸增大。這是因為泵在透平工況下導(dǎo)葉和葉輪的流道是收縮的，介質(zhì)從導(dǎo)葉到與葉輪交界面處流道截面面積增大。導(dǎo)葉凸面速度大于凹面。葉片背面的速度大于工作面速度，葉片工作面進口處有漩渦區(qū)域，并形成一定的回流，流速較小，沿著葉輪的旋轉(zhuǎn)方向，回流逐漸減弱，隨著級數(shù)的增大漩渦區(qū)域有所增大。這是由于介質(zhì)在葉片工作面進口附近造成沖擊，隨著級數(shù)增加，氣體膨脹，介質(zhì)流速增大，這種沖擊損失也變大。表2是氣液兩相透平在最優(yōu)工況點的各級葉輪、導(dǎo)葉的數(shù)值試驗結(jié)果，其結(jié)果與透平總的外特性和內(nèi)流場特征相吻合。由表2可知，多級液力透平的單級水力效率比其總的水力效率高。這是由于總的水力效率要考慮到介質(zhì)在透平的吸入室和壓出室，以及各自的上一級透平葉輪出口到下一級導(dǎo)葉進口交界面處的壓力損失。

第1級

第3級

第5級

圖 5 最優(yōu)工況時氣液兩相介質(zhì)液力透平的第1、3、5級葉輪、導(dǎo)葉的靜壓云圖

第1級

第3級

第5級

圖 6 最優(yōu)工況時氣液兩相介質(zhì)的液力透平第1、3、5級葉輪、導(dǎo)葉的速度矢量圖

表2 氣液兩相介質(zhì)液力透平的數(shù)值模擬結(jié)果

3.2.3 氣相介質(zhì)體積分數(shù)分布

圖7是入口氣體體積分數(shù)為0.10的氣液兩相介質(zhì)的液力透平第1、3、5級葉輪、導(dǎo)葉的相對速度分布云圖。可知：氣相介質(zhì)充滿了各級導(dǎo)葉葉輪的流道，各流道中氣體分布不對稱，同一流道內(nèi)氣體分布不均勻；隨著級數(shù)的增加，從第1級到第5級各級葉輪、導(dǎo)葉內(nèi)的體積含氣率增加，并且葉輪出口附近的高含氣率區(qū)域也增大；由于從導(dǎo)葉進口到葉輪出口，流道內(nèi)壓力逐漸減小，氣體膨脹，GVF從導(dǎo)葉進口到葉輪出口逐漸增大，增加的梯度很不均勻；各級葉輪葉片背面的含氣率比葉片工作面高，導(dǎo)葉凸面含氣率小于凹面，在第1級和第3級葉輪的工作面進口附近有一小部分高含氣率區(qū)域，這些區(qū)域隨著級數(shù)的增加而逐漸消失。

第1級

第3級

第5級

圖 7 最優(yōu)工況時氣液兩相介質(zhì)的液力透平第1、3、5級葉輪、導(dǎo)葉的氣相體積分數(shù)分布云圖

4 變工況時透平的氣相介質(zhì)分布特性

圖8、圖9分別是GVF為0.10時多級液力透平在小流量(Q=0.75QBEP)和大流量(Q=1.25QBEP)下第1、3、5級葉輪、導(dǎo)葉流道內(nèi)部氣相介質(zhì)體積分數(shù)分布云圖?？芍号c設(shè)計工況下的透平相比，在非最優(yōu)工況點氣液兩相液力透平的導(dǎo)葉、葉輪內(nèi)氣體分布的不對稱性加劇，隨著級數(shù)的增加，透平葉輪出口附近的高含氣率區(qū)域減小；與小流量時的透平相比，透平對應(yīng)的各級葉輪、導(dǎo)葉在流量較大時其內(nèi)部的氣體體積分數(shù)較大，各流道中氣體分布更加不對稱，透平葉輪出口附近的高含氣率區(qū)域較小。

第1級

第3級

第5級

圖 8 小流量時氣液兩相介質(zhì)的液力透平第1、3、5級葉輪、導(dǎo)葉的氣相體積分數(shù)分布云圖

第1級

第3級

第5級

圖 9 大流量時氣液兩相介質(zhì)的液力透平第1、3、5級葉輪、導(dǎo)葉的氣相體積分數(shù)分布云圖

4 結(jié)論

1)與純水介質(zhì)的多級液力透平相比，氣液兩相介質(zhì)的透平在最優(yōu)工況點的壓頭、功率較高，水力效率、質(zhì)量流量和高效率運行區(qū)域比純水透平的小。

2)氣液兩相透平的導(dǎo)葉、葉輪各流道中，壓力分布不完全對稱，導(dǎo)葉凸面壓力大于凹面，葉片工作面壓力大于背面；介質(zhì)在透平葉輪、導(dǎo)葉流道內(nèi)流動較穩(wěn)定，葉片背面的速度大于工作面速度，導(dǎo)葉凸面速度大于凹面，葉片工作面進口處有流速較小的漩渦區(qū)域；透平葉輪各流道中氣體分布不對稱，各級葉輪的葉片背面的含氣率比葉片工作面的高，導(dǎo)葉凸面含氣率小于凹面，在工作面進口附近有一小部分的高含氣率區(qū)域；隨著級數(shù)的增加,透平各級導(dǎo)葉、葉輪進出口壓差增大，其內(nèi)部壓力分布不均勻性增加，葉片工作面進口附近的漩渦區(qū)域減小，葉輪的工作面進口附近的高含氣率區(qū)域減小。

3)在非設(shè)計工況點的透平葉輪出口附近的高含氣率區(qū)域隨著級數(shù)的增加而減小。與小流量時的透平相比，大流量時透平各級葉輪、導(dǎo)葉內(nèi)部的氣體體積分數(shù)較大，透平葉輪出口附近的高含氣率區(qū)域較小，各流道中氣體分布的不對稱性加劇。

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