離心泵內(nèi)部空化特性的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究

胡錦蘅，余　波，劉　彬，李文浩

(西華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，成都 610039)

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離心泵內(nèi)部空化特性的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究

胡錦蘅，余波*，劉彬，李文浩

(西華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，成都 610039)

摘要：以一臺(tái)典型的清水式離心泵為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究的方法，對(duì)3種不同流量工況下的離心泵內(nèi)部空化特性進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果存在一定差異，具體表現(xiàn)為小流量區(qū)比較吻合，大流量區(qū)差異較大；臨界汽蝕余量時(shí)，離心泵空化已經(jīng)很嚴(yán)重，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，初生空化發(fā)生在臨界汽蝕余量之前很長(zhǎng)一段時(shí)間。因此后續(xù)應(yīng)針對(duì)該泵展開初生空化研究。

關(guān)鍵詞：離心泵；數(shù)值模擬；空化特性；臨界汽蝕余量

0引言

空化現(xiàn)象是流體流動(dòng)過程中局部壓力低于飽和蒸汽壓力以下時(shí)出現(xiàn)的空泡生成、長(zhǎng)大、潰破現(xiàn)象，空化的發(fā)生會(huì)破壞離心泵內(nèi)流動(dòng)的連續(xù)性，導(dǎo)致泵的揚(yáng)程下降，引起軸系振動(dòng)、噪聲，致使泵效率降低等特性變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法工作[1-2]。為了降低空化空蝕對(duì)離心泵造成的危害，對(duì)離心泵內(nèi)部空化性能的研究一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，眾多學(xué)者在試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬方面進(jìn)行了大量的工作[3-8]。

在前人研究的基礎(chǔ)上，選取了3種不同的流量工況，分別利用CFD軟件[9]和泵閥試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)一臺(tái)典型的清水式離心泵進(jìn)行了空化數(shù)值模擬和空化試驗(yàn)研究，分析離心泵內(nèi)部的空化性能，發(fā)現(xiàn)結(jié)果存在一定的差異。

1研究對(duì)象

本文研究的對(duì)象是IS100-80-125型清水式離心泵，其基本參數(shù)見表1。

表1　離心泵參數(shù)

根據(jù)表1相關(guān)參數(shù)，利用三維建模軟件UG對(duì)該離心泵進(jìn)行三維全流道建模，考慮到實(shí)際連接情況，進(jìn)、出口管道直徑為100 mm，因此在三維建模時(shí)，分別將進(jìn)、出口管道的長(zhǎng)度延長(zhǎng)了200 mm，最終的三維模型見圖1。將離心泵三維模型導(dǎo)入專用網(wǎng)格生成器ICEMCFD中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格見圖2。

圖1　離心泵三維模型Fig.1　3D model of centrifugal pump

圖2　計(jì)算網(wǎng)格Fig.2　Computing mesh

2研究方法

2.1空化數(shù)值模擬

本次空化數(shù)值模擬采用基于交錯(cuò)網(wǎng)格的SIMPLE算法實(shí)現(xiàn)對(duì)速度和壓力之間的耦合；應(yīng)用有限體積法離散控制方程；對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)離散格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式；近壁區(qū)域流動(dòng)通過標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法描述；多相流模型選用Mixture模型，空化模型采用Schnerr-Sauer 模型，使用RNG k-ε湍流模型封閉方程組[10]。

模擬時(shí)，邊界條件選用速度進(jìn)口(velocity-inlet)和壓力出口(pressure-outlet) ，采用試驗(yàn)所測(cè)得的大氣壓值以及水的飽和蒸汽壓力值作為離心泵空化數(shù)值模擬所對(duì)應(yīng)的大氣壓值及其水的飽和蒸汽壓力值。在計(jì)算過程中，每個(gè)流量工況，均保持速度進(jìn)口不變(確保流量恒定)，逐漸改變出口壓力值，最后計(jì)算各個(gè)工況下的汽蝕余量和揚(yáng)程值，繪制出離心泵的汽蝕余量-揚(yáng)程曲線，3種流量工況分別為：80、92、100 m3/h。

2.2空化試驗(yàn)

2.2.1試驗(yàn)原理

由于裝置的汽蝕余量隨裝置的變化而變化，因此可通過改變吸入裝置來(lái)改變汽蝕余量。本次空化試驗(yàn)采用改變離心泵進(jìn)出口閥門開度兩個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)而使流量保持不變的方法進(jìn)行試驗(yàn)，即先改變泵進(jìn)口閥門的開度以改變吸入管路的阻力，使汽蝕余量改變，同時(shí)為了保持流量不變，還須調(diào)節(jié)出口閥門的開度。

2.2.2試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)是在泵閥試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，該試驗(yàn)臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)泵汽蝕試驗(yàn)，設(shè)備包括水池、管道、離心泵、水環(huán)式真空泵、電機(jī)，試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖見圖3。

圖3　試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖Fig.3　Physical figure of test bench

試驗(yàn)選取100、92、80 m3/h 3種流量工況，通過控制離心泵進(jìn)出口閥門的開度，使流量計(jì)讀數(shù)保持不變，離心泵逐漸發(fā)生空化。從空化初生到加劇的過程中，用相關(guān)試驗(yàn)儀器測(cè)量并記錄多組大氣壓、水溫、離心泵進(jìn)出口壓力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入相關(guān)公式，計(jì)算每種工況下的揚(yáng)程值和汽蝕余量值，最后繪制出汽蝕余量-揚(yáng)程曲線[11]。

圖4　汽蝕余量-揚(yáng)程性能曲線(模擬)Fig.4　NPSH-head curve(simulation)

3結(jié)果與分析

通過本次空化數(shù)值模擬，得到3種流量工況下，汽蝕余量和揚(yáng)程之間的關(guān)系，見圖4?？栈跎鷷r(shí)和臨界汽蝕余量時(shí)汽泡在葉片表面的分布圖，見圖5、圖6。

由圖4可見，3個(gè)流量工況下都表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，即揚(yáng)程隨著汽蝕余量的減小而減小，也即隨著空化逐漸嚴(yán)重，離心泵揚(yáng)程先保持不變，而后出現(xiàn)拐點(diǎn)，急劇下降。這是由于隨著汽蝕余量逐漸減小，離心泵已經(jīng)發(fā)生了空化，但此時(shí)汽蝕余量值仍然大于臨界汽蝕余量，離心泵的揚(yáng)程沒有發(fā)生變化；當(dāng)汽蝕余量繼續(xù)減小，小于臨界汽蝕余量后，離心泵空化加劇，產(chǎn)生了大量的氣泡，堵塞了流道，導(dǎo)致了離心泵的性能下降。

由圖5可見，此時(shí)離心泵的葉片上只有輕微的汽蝕，可認(rèn)為此時(shí)離心泵剛好發(fā)生初生空化；而圖6則表明，當(dāng)離心泵處于臨界空化狀態(tài)時(shí)，葉片表面汽蝕很嚴(yán)重，導(dǎo)致離心泵的揚(yáng)程開始下降，說(shuō)明離心泵處于臨界汽蝕余量時(shí)，其內(nèi)部空化已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重。

圖5　3個(gè)工況下，空化初生時(shí)汽泡在葉片表面的分布Fig.5　When cavitation inception, bubble distribution in the blade surface, in the 3 conditions

圖6　3個(gè)工況下，臨界汽蝕余量時(shí)汽泡在葉片表面的分布Fig.6　When critical NPSH, bubble distribution in the blade surface, in the 3 conditions

利用泵閥試驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)3種工況下測(cè)得的各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算繪制出的汽蝕余量-揚(yáng)程曲線見圖7。由圖7可見，試驗(yàn)得到的汽蝕余量-揚(yáng)程曲線同模擬得到的曲線具有相同的變化規(guī)律。

臨界汽蝕余量由在流量不變的條件下，揚(yáng)程開始下降3%時(shí)所對(duì)應(yīng)的汽蝕余量值來(lái)確定。通過計(jì)算，模擬和試驗(yàn)的臨界汽蝕余量曲線見圖8。

由圖8可見，兩條曲線都是臨界汽蝕余量隨著流量的增加而逐漸增加，但試驗(yàn)曲線較平緩，模擬曲線較陡峭。從理論分析來(lái)看，兩條曲線應(yīng)該大致保持平行，并且試驗(yàn)得到的臨界汽蝕余量值應(yīng)該大于模擬得到的臨界汽蝕余量值，在小流量時(shí)兩者符合且數(shù)值很接近，而在大流量時(shí)試驗(yàn)值反而小于模擬值，出現(xiàn)了較大的差異。

圖7　汽蝕余量-揚(yáng)程曲線(試驗(yàn))Fig.7　NPSH-head curve(experiment)

圖8　臨界汽蝕余量曲線Fig.8　Flow-critical NPSH curve

4結(jié)論

1)通過對(duì)比分析，模擬得出的臨界汽蝕余量與試驗(yàn)得出的臨界汽蝕余量具有相同的變化規(guī)律，但兩種方法下的臨界汽蝕余量值之間卻存在著一定的差異，具體表現(xiàn)為在小流量區(qū)時(shí)比較吻合，但在大流量區(qū)時(shí)差異較大。

2)在臨界汽蝕余量之前，初生空化已經(jīng)發(fā)生。當(dāng)離心泵處于初生空化到臨界汽蝕余量狀態(tài)之間時(shí)，雖然其性能未發(fā)生改變，但內(nèi)部空化已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重。而通過數(shù)值模擬還可見，初生空化發(fā)生在臨界汽蝕余量之前很長(zhǎng)一段時(shí)間，因此后續(xù)應(yīng)針對(duì)該離心泵展開初生空化研究。

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Numerical simulation and experimental research of centrifugal pump cavitation characteristics

HU Jin-Heng，YU Bo*，LIU Bin，LI Wen-Hao

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039,China)

Abstract：A water centrifugal pump is taken as the object of the research, with the methods of numerical simulation and experimental researchs, centrifugal pump cavitation performance of 3 flow conditions is compared and analyzed. The result shows: there are some differences between numerical simulation and experimental results, the differences of low flow area are less than the large flow area;When is the critical NPSH, centrifugal pump cavitation is highly serious, and the initial cavitation took place in a long time before the critical NPSH. Therefore, initial cavitation research should be expanded for the pump in the future.

Key words：centrifugal pump; numerical simulation; cavitation characteristic;critical NPSH

DOI:10.13524/j.2095-008x.2016.01.016

收稿日期：2015-06-24;

修訂日期：2015-07-22

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379179)

作者簡(jiǎn)介：胡錦蘅(1991-)，男，四川射洪人，碩士研究生，研究方向:水利水電工程及自動(dòng)化、計(jì)算監(jiān)控和仿真技術(shù),E-mail：361686333@163.com;通訊作者：余波(1965-)，男，四川西昌人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向:水利水電工程及自動(dòng)化、計(jì)算監(jiān)控和仿真技術(shù)等,E-mail：yubo@163.com。

中圖分類號(hào)：Tp11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-008X(2016)01-0087-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1566.T.20160218.1458.006.html