基于FLUENT的并聯(lián)自平衡多級泵末級內(nèi)流動研究

秦 武，陳芳芳， 羅瑞祥， 李志鵬

(1.長沙佳能通用泵業(yè)有限公司，長沙 410323；2.長沙理工大學(xué)，長沙 410114)

0 引 言

目前為止，研究人員對離心泵壓水室的研究，集中在單級單吸或單級雙吸離心泵螺旋形壓水室徑向力方面，得到的共性結(jié)果為對比單蝸殼壓水室，雙蝸殼壓水室結(jié)構(gòu)泵對減小和平衡葉輪徑向力方面具有優(yōu)勢。江偉[1]通過定常和非定常的數(shù)值分析的方法研究了壓水室結(jié)構(gòu)對離心泵徑向力的影響，所得結(jié)論為導(dǎo)葉式壓水室離心泵徑向力變化呈現(xiàn)無規(guī)律性，蝸殼型離心泵產(chǎn)生的徑向力呈橢圓分布的變化；嚴(yán)敬[2]介紹了國外一種離心泵雙蝸殼的設(shè)計方法，以試驗結(jié)果為基礎(chǔ)給出葉輪徑向力計算統(tǒng)計公式，通過比較不同結(jié)構(gòu)的壓水室對葉輪徑向力平衡效果及水力特性，得出單蝸殼在大、小流量區(qū)域葉輪徑向力平衡特性較雙蝸殼差，雙蝸殼泵效率較單蝸殼低1%～1.5%，高效區(qū)增大；劉宜[3]等用CFD軟件通過改變蝸殼基圓直徑研究了不同徑向間隙對徑向力的影響；劉建瑞[4]和肖若富[5]等人對擴散段為直錐形的雙吸式雙蝸殼泵隔板進行了優(yōu)化設(shè)計，確定了最小葉輪徑向力隔板方案。

為了滿足遠(yuǎn)距離輸水、大型市政水利工程等程項目中對大流量、中高揚程的水泵越來越多的市場需求，課題組成功開發(fā)出雙進口并聯(lián)自平衡臥式多級離心泵產(chǎn)品。為了同時滿足并聯(lián)多級離心泵結(jié)構(gòu)上的穿杠及內(nèi)部流動性能要求，將出水段設(shè)計成單出口雙蝸殼壓水室，其擴散段設(shè)計為彎脖型。

并聯(lián)自平衡多級泵末級由雙吸葉輪及雙蝸殼壓水室組成。為了研究內(nèi)部流動特性以提高設(shè)計性能，在確定葉輪模型的前提下，本文通過設(shè)計3種壓水室方案與葉輪進行匹配。采用FLUENT軟件對末級進行數(shù)值計算及分析，將所得最佳設(shè)計方案制作樣機后，進行性能試驗對揚程、效率進行了驗證。

1 模型泵設(shè)計參數(shù)及壓水室設(shè)計方案

所研究的雙進口并聯(lián)自平衡型多級離心泵整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，可根據(jù)揚程需求增加泵的級數(shù)。該泵末級葉輪比轉(zhuǎn)速為112.06，設(shè)計流量為1 440 m3/h，單級揚程為60 m，轉(zhuǎn)速為1 480 r/min。

1-吸水室；2-首級葉輪；3-出水雙吸葉輪；4-壓水室；5-拉桿圖1 并聯(lián)多級離心泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of parallel multistage pump

由于此并聯(lián)多級泵設(shè)計點流量較大，將壓水室設(shè)計為雙蝸殼，蝸形體采用結(jié)構(gòu)簡單、水力性能好的梯形斷面。根據(jù)不同的速度系數(shù)及隔板長度設(shè)計了3種壓水室方案，蝸室平面圖如圖2所示，各方案設(shè)計參數(shù)如表1所示。

圖2 雙蝸殼蝸室平面圖Fig.2 Volute plane of double volute

名稱符號數(shù) 值方案一方案二方案三速度系數(shù)(第Ⅷ斷面)kⅧ0．380．380．44基圓直徑/mmD3470470470隔舌安放角/(°)φ0252525蝸室進口寬度/mmb3106106106出口直徑/mmDd350350350擴散段長度/mmL650650680隔板尾端位置第IX斷面出口附近出口附近

2 并聯(lián)自平衡多級泵末級數(shù)值計算

2.1 控制方程

對于此多級泵末級內(nèi)部流動，采用黏度和密度均為不隨時間變化的Navier-Stockes方程，流體流動控制方程通用公式為：

φ)-div(Γgradφ)+S

(1)

等式左邊為瞬態(tài)項和對流項，等式右邊為擴散項和源項。

2.2 湍流模型

采用RNGk-ε湍流模型，對應(yīng)的湍動能k和湍流耗散率ε方程為：

(3)

2.3 流道建模及網(wǎng)格劃分

進行數(shù)值計算多級泵末級包含的計算區(qū)域物理模型為出水雙吸葉輪及壓水室流道。利用三維軟件對計算區(qū)域進行如圖3所示的實體建模，為減少邊界條件對計算結(jié)果的影響對進出口進行適當(dāng)延伸。由于葉輪及壓水室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用計算結(jié)果較好的四面體進行網(wǎng)格劃分，對于進出口延伸段進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。通過對網(wǎng)格無關(guān)性進行分析，額定工況下泵的揚程等水力性能參數(shù)變化幅度穩(wěn)定在0.1%內(nèi)時3種方案對應(yīng)的計算模型網(wǎng)格數(shù)分別為2 865 239、2 807 421、2 934 186。

圖3 末級流道模型Fig.3 Model of the last stage flow channel

2.4 數(shù)值計算方法及邊界條件

利用Fluent軟件對計算模型采用RNGk-ε模型進行三維流場定常模擬，各計算常量使用默認(rèn)值。按軟件提供的多重參考坐標(biāo)系將葉輪區(qū)域設(shè)為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，雙蝸殼區(qū)域為靜止區(qū)域。對基本方程的離散采用二階迎風(fēng)差分格式，以減小截斷誤差，壓力和速度采用SIMPELC算法進行耦合。

對于不可壓縮流動，模型進口設(shè)為速度進口，速度大小由流量和進口面積確定。出口設(shè)為充分發(fā)展的自由出流。壁面條件為無滑移壁面邊界，固壁附近流動由標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)確定。延伸段與葉輪進口、壓水室出口，以及葉輪出口和壓水室進口的交界面設(shè)為INTERFACE面進行數(shù)據(jù)交換。

2.5 模擬結(jié)果分析

圖4為3種方案并聯(lián)多級泵末級設(shè)計工況下數(shù)值模擬速度跡線圖，圖5為對應(yīng)葉輪和蝸殼中截面靜壓分布圖。

額定工況下流體在葉輪內(nèi)流動狀態(tài)比較好，在葉輪出口與蝸殼隔舌、隔板頭部交界處由于動靜干涉流動波動大。流體進入蝸殼后在第X斷面處過流面積突然變大，使流動出現(xiàn)漩渦。對比三個方案的流動跡線，方案一由于隔板延伸位置位于第Ⅸ斷面處，隔板兩側(cè)流體在此匯合，隨著過流面積突然增大，缺少隔板的引導(dǎo)分流作用，第X斷面到出口流動出現(xiàn)強漩渦且流動雜亂。方案三采用較大的速度系數(shù)，同一斷面處速度比方案二大，因此漩渦較方案二明顯。

圖4 額定工況速度跡線Fig.4 Pathlines colored by velocity magnitude in rated flow

圖5 額定工況靜壓分布云圖Fig.5 Contours of static pressure (Pa) in rated flow

所示葉輪和蝸殼中截面壓力分布圖上，流體在葉輪內(nèi)流動壓力葉輪內(nèi)壓力不斷增加且具有規(guī)律的壓力梯度分布，在葉片出口和蝸殼的交界處壓力出現(xiàn)波動，受到隔舌及隔板頭部的干涉局部壓力增加。進入蝸殼后隨著斷面面積變化，流體動能不斷轉(zhuǎn)化為壓能，靜壓不斷增加。

綜合速度跡線圖和靜壓分布圖分析，方案一中隔板尾端位置處于第IX斷面處，其后擴散段內(nèi)兩邊蝸殼流體在此混合，從第IX斷面到出口部分流動紊亂，產(chǎn)生較大漩渦；方案三中設(shè)計采用的大的速度系數(shù)，因此從隔舌開始到出口面積變化幅度較方案一方案二大；以上兩方面原因?qū)е铝鲃訐p失增加，水力效率降低，此外隔板的存在增加了因摩擦引起的水力損失，在一定程度上使效率下降。

3 水力性能計算及試驗驗證

FLUENT軟件提供的后處理功能可對水力性能進行預(yù)測，額定工況下三種方案多級泵末級揚程及效率計算結(jié)果為表2。

表2 數(shù)值計算的揚程、效率值Tab.2 Head & efficiency of numerical calculation

由表2可知，經(jīng)過數(shù)值計算后，方案二性能最優(yōu)。將方案二的葉輪、壓水室制成的多級泵整機按照《回轉(zhuǎn)動力泵 水力性能驗收試驗1級和2級》進行水力性能試驗驗證。圖6為樣機現(xiàn)場性能測試圖，末級兩個取壓監(jiān)測點分別設(shè)在末級前中段和出水管路上。經(jīng)數(shù)值模擬和試驗所得多級泵末級流量-揚程、流量-效率對比曲線數(shù)據(jù)如表3，趨勢圖如圖7所示。

圖6 現(xiàn)場試驗圖Fig.6 Performance test of parallel multistage pump

由多級泵末級流量-揚程、流量效率對比曲線可知，定常模擬結(jié)果基本與實際試驗值變化趨勢保持一致，揚程計算誤差保持在2%以內(nèi)。在模擬計算中，未考慮葉輪圓盤摩擦損失、機械損失及密封間隙的泄露損失；多級離心泵的前級導(dǎo)葉對次級葉輪進口有擾流，而且隨著流量的不同，造成的葉輪進口預(yù)旋影響程度不同；且隨著流量的不斷加大，實際流動中的口環(huán)間隙泄漏量增大，容積損失也增大，致使效率計算誤差較小流量點更大，但均在5%以內(nèi)。設(shè)計的葉輪及雙蝸殼壓水室經(jīng)過測試，末級設(shè)計點效率為80.6%，性能良好滿足設(shè)計要求，且此泵高效區(qū)范圍為0.75～1.3倍額定流量處，高效工作性能區(qū)間寬。

表3 模擬計算與試驗對比數(shù)據(jù)表Tab.3 The data between CFD and test

圖7 性能曲線對比圖Fig.7 Comparison charts of performance curve

4 結(jié) 語

本文針對新型的雙進口并聯(lián)臥式多級離心泵的出水隔板延伸長度以及第Ⅸ斷面設(shè)計對雙蝸殼流道的局部影響進行了簡化模擬，通過對比分析，從三個方案中選擇最優(yōu)的方案并進行整機試驗，并形成以下研究結(jié)論。

(1)隔舌、隔板位置以及過流斷面面積的大小將影響流體在流道內(nèi)的流動和內(nèi)部流場分布，因此，設(shè)計時需考慮隔舌角度和過流斷面面積的選取，使壓水室具有較低的水力損失。

(2)數(shù)值模擬方法能較好地反映流道內(nèi)流體的流態(tài)和流場分布情況，采用數(shù)值模擬進行性能預(yù)測對水泵的工程設(shè)計和優(yōu)化具有很好的指導(dǎo)作用。

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[1] 江 偉，李國軍，張新盛.壓水室結(jié)構(gòu)對離心泵徑向力影響的數(shù)值分析[J]. 排灌機械工程學(xué)報，2013，31(2)：93-97.

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[3] 劉 宜，蔣 躍，張人會，等.不同徑向間隙對雙蝸殼泵徑向力影響的數(shù)值模擬[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2013，39(3)：43-47.

[4] 劉建瑞，付登鵬，何小可. ES250-370型雙蝸殼雙吸泵隔板優(yōu)化設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2014，45(5)：96-100,106.

[5] 肖若富，呂騰飛，王福軍.雙蝸殼式雙吸泵隔板對葉輪徑向力的影響[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2011，42(9)：85-88.

[6] 關(guān)醒凡．現(xiàn)代泵技術(shù)手冊[M]．北京．中國宇航出版社，2011．

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