葉片出口安放角對(duì)離心泵內(nèi)流場影響的研究

嚴(yán)建華，滕國榮，朱方能，2，劉棟，2

（1.江蘇省特種化工泵工程技術(shù)研究中心，江蘇 靖江 214537；2.江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

在制漿造紙、石油化工等行業(yè)中，離心泵內(nèi)部結(jié)鹽現(xiàn)象相當(dāng)普遍。解決泵內(nèi)部伴有鹽析的液固兩相流動(dòng)這一基礎(chǔ)科學(xué)問題一直是學(xué)術(shù)界和工程界的難題。由于黏性的影響及伴有鹽析的液固兩相流動(dòng)，使離心泵葉輪內(nèi)部流動(dòng)非常復(fù)雜。為揭示鹽溶液在離心泵內(nèi)部流動(dòng)的真實(shí)情況，本文著眼于在清水狀態(tài)下，葉輪葉片出口安放角對(duì)離心泵內(nèi)部流動(dòng)情況影響的試驗(yàn)研究。

目前以葉片出口角對(duì)離心泵外特性影響的研究成果很多。何希杰［1］進(jìn)行了低比轉(zhuǎn)速離心泵主要參數(shù)對(duì)性能綜合影響和排序的研究，研究證明葉片出口安放角對(duì)揚(yáng)程有較大的影響。談明高等［2］進(jìn)行了離心泵出口角對(duì)能量性能影響的CFD 研究，發(fā)現(xiàn)葉片出口角的改變對(duì)葉輪內(nèi)的射流-尾跡結(jié)構(gòu)影響最為明顯。葉輪流道內(nèi)的尾跡區(qū)域隨著葉片出口角的增大而變大，這個(gè)變化對(duì)蝸殼的葉輪流道內(nèi)最為突出。吳賢芳等［3］研究了葉片出口角對(duì)離心泵性能曲線形狀的影響，通過對(duì)不同比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵在不同葉片出口角下性能曲線的分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，葉片出口角對(duì)高比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵的性能曲線形狀影響最為明顯。

為了揭示出口角對(duì)離心泵內(nèi)部流動(dòng)的影響，本文采用Fluent 軟件對(duì)離心泵在不同出口安放角葉輪中的內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了離心泵內(nèi)壓力和速度分布規(guī)律，并比較了不同葉片出口安放角對(duì)壓力場和速度場的影響規(guī)律，根據(jù)計(jì)算結(jié)果作出了葉輪出口速度的圓周分速度的曲線圖和泵的性能曲線圖。

1 研究方法

1.1 控制方程和湍流模型

本文基于不可壓流體的連續(xù)方程和雷諾時(shí)均的N-S方程作為流動(dòng)控制方程，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型來模擬離心泵葉輪內(nèi)部三維湍流流動(dòng)。采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，壓力和速度耦合采用收斂速度較好的SIMPLE 算法。壓力方程的離散采用標(biāo)準(zhǔn)差分格式，動(dòng)量方程、湍動(dòng)能方程和湍流耗散率方程的離散采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散［4］。

1.2 邊界條件

1）進(jìn)口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口，根據(jù)離心泵的設(shè)計(jì)流量選擇質(zhì)量流量數(shù)值。

2）泵出口處滿足符合流動(dòng)充分發(fā)展條件，出口邊界設(shè)置為自由出流條件（outflow）。

3）固體壁面設(shè)置為壁面無滑移條件，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。葉輪區(qū)域壁面設(shè)置旋轉(zhuǎn)區(qū)域，轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，蝸殼及進(jìn)出口管壁設(shè)置為靜止區(qū)域。

4）交接面設(shè)置為動(dòng)靜交界面，旋轉(zhuǎn)葉輪與靜止進(jìn)水管和靜止蝸殼之間的動(dòng)靜耦合和相互干擾問題，采用多重參考坐標(biāo)系（MRF）模型。把離心泵內(nèi)部流場簡化為葉輪在某一位置的瞬時(shí)流場，將非定常問題簡化為定常問題計(jì)算。

1.3 研究模型

離心泵葉輪采用速度系數(shù)法設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流量Q0=20 m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程H=10 m，額定轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min，葉輪外徑D2=185 mm，出口寬度b2=10 mm，葉片數(shù)z=5，比轉(zhuǎn)數(shù)ns=70.2，本文研究了3 種情況葉片的出口安放角，分別為30°、40°和50°，圖1 顯示了不同葉片出口角葉片型線對(duì)比。

采用Pro/E 軟件對(duì)離心泵的葉輪和蝸殼建立三維模型，并對(duì)葉輪進(jìn)口和蝸殼出口做一定的延伸處理，采用ICEM 軟件對(duì)模型泵進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于葉輪和蝸殼的計(jì)算域較復(fù)雜，故采用對(duì)復(fù)雜幾何適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格。30°，40°，50°出口安放角葉輪劃分的網(wǎng)格單元數(shù)分別為360 002，366 162，360 670。

圖1 不同出口安放角型線

2 計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)所研究的離心泵模型，工作介質(zhì)采用常溫清水，在設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，經(jīng)過約800 余次迭代計(jì)算達(dá)到收斂，計(jì)算結(jié)果分析如下。

2.1 壓力分布

圖2 壓力場分布

圖2（a）為設(shè)計(jì)工況下，出口安放角為30°時(shí)壓力分布。從圖中可以看出，壓力在流動(dòng)方向上逐漸增加，在蝸殼出口處壓力達(dá)到最大值。壓力在葉輪中分布均勻，從葉輪進(jìn)口到葉輪出口壓力逐漸升高，進(jìn)口處的壓力最小，且具有較大的梯度，工作面的壓力大于相應(yīng)位置背面的壓力，因而進(jìn)口背面處也是最容易發(fā)生氣蝕的地方。在隔舌部位，由于其阻礙影響，致使此部位的壓力有一定的波動(dòng)，而且隔舌處有少量的回流和漩渦。由于蝸殼是擴(kuò)散的管路，因而壓力在其中是逐漸增加的。對(duì)比圖2 中不同出口安放角的壓力分布可以看出，壓力的分布趨勢一致，隨著出口安放角的增加，隔舌附近的壓力有所增加。

2.2 隔舌處絕對(duì)速度分布

圖3（a）為出口角30°的葉輪流場分布圖，從圖中可以看出，流體在葉輪內(nèi)的絕對(duì)速度是逐漸遞增，在進(jìn)口處速度較低，但流動(dòng)比較均勻，速度梯度較小。葉輪出口處的速度達(dá)到最大值，且工作面的速度大于背面速度，但速度梯度較大，流動(dòng)較不均勻。在流體流入蝸殼后，由于蝸殼是擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，速度有逐漸降低。在隔舌部位，速度有一定的波動(dòng)，有較大的梯度且出現(xiàn)回流現(xiàn)象。這是因?yàn)楦咚俚牧黧w受隔舌的阻礙而沖擊此處，造成流體向壓水室出口擴(kuò)散，流動(dòng)變得很不規(guī)則，因而出現(xiàn)回流現(xiàn)象［5］。

圖3（b）、（c）、（d）為隔舌處速度場分布圖，從圖中葉輪速度場分布對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同出口角時(shí)的速度場分布一致。但不同出口角葉輪的隔舌處波動(dòng)情況有較大的不同。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著出口角的增大，隔舌處速度梯度越來越大。這是由于隨著出口角的增大，葉輪出口處速度增加，且相鄰葉片間的流道變短，導(dǎo)致在隔舌部位速度的擴(kuò)散越嚴(yán)重，回流現(xiàn)象也越明顯。而回流也會(huì)造成較大的水力損失。

圖3 葉輪及隔舌處速度場分布

2.3 性能曲線

從圖4 中的性能曲線對(duì)比可以看出，在其他葉輪幾何參數(shù)相同的情況下，葉片出口角的改變對(duì)泵的水力特性影響十分明顯。隨著出口角的增大，蝸殼出口壓力增加，離心泵揚(yáng)程提高，但效率下降。這是由于葉片出口角增大時(shí)，葉輪流道出口處絕對(duì)速度的圓周分速度增大，其蝸殼出口壓力增加，有利于泵揚(yáng)程的提高。而隨著出口角的增大，葉片間流道彎曲嚴(yán)重（可能出現(xiàn)S 形），流道變短，相鄰葉片間流道的擴(kuò)散角度變大，水力損失增加，從而導(dǎo)致效率降低。從功率流量曲線可以看出，離心泵的軸功率隨著流量的增大而增大，表明在大流量工況下，所需的泵軸輸出功率較大，能量損失也較嚴(yán)重。而隨出口角的增大，泵軸功率也增加，這是由于出口角的增大使得泵揚(yáng)程增加，加上能量損失也增加，從而消耗了更多的功率。

圖4 離心泵的性能曲線對(duì)比

3 結(jié)論

（1）通過對(duì)離心泵的壓力場的分析，說明離心泵內(nèi)部流動(dòng)中的壓力分布比較均勻。壓力最小值在葉片進(jìn)口處，此處也最易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

（2）通過離心泵的速度場的分析，說明流體在葉輪內(nèi)的速度是逐漸遞增，在葉輪出口處達(dá)到最大值，在隔舌處速度分布有較大的梯度，且出口安放角越大，速度梯度越大。

（3）葉片出口安放角增大使得葉輪出口速度圓周分速度增大，使泵揚(yáng)程提高。但流道擴(kuò)散嚴(yán)重，會(huì)增加泵的水力損失，降低效率，從而使得泵軸功率增加。

［1］何希杰.低比轉(zhuǎn)速離心泵主要參數(shù)對(duì)性能綜合影響和排序［J］.通用機(jī)械，2004（11）：63-65.

［2］談明高，劉厚林，袁壽其，等.離心泵出口角對(duì)能量性能影響的CFD 研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2008（11）：104-106.

［3］吳賢芳，談明高，劉厚林，等.葉片出口角對(duì)離心泵性能曲線形狀的影響［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2010（10）：166-169.

［4］楊敏官，顧海飛，劉棟，等.離心泵葉輪內(nèi)部湍流流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006，42（12）：180-185.

［5］JAFARZADEH B，HAJARI A，ALISHAHI M M.The flow simulation of a low-specific-speed high-speed centrifugal pump［J］.Applied Mathematical Modelling，2011，35:242-249.

［6］關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵理論與設(shè)計(jì)［M］.北京：中國宇航出版社，2011.