離心式水泵汽蝕CFD分析

曹良丹 沈棟平

離心式水泵工作時(shí)，常出現(xiàn)流體機(jī)械特有的汽蝕現(xiàn)象。它使流道表面受到浸蝕破壞，引發(fā)振動(dòng)，產(chǎn)生噪音;在嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)斷裂流動(dòng)，形成流道阻塞，造成水泵性能的下降。本文針對(duì)某型號(hào)離心水泵在5000次冷熱沖擊耐久試驗(yàn)后葉輪邊緣發(fā)生汽蝕的現(xiàn)狀，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析方法對(duì)泵進(jìn)行CFD分析，分析汽蝕產(chǎn)生的原因，確定汽蝕產(chǎn)生的位置，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為實(shí)際水泵性能提高提供指導(dǎo)。

一、前言

離心式水泵工作時(shí)，常出現(xiàn)流體機(jī)械特有的汽蝕現(xiàn)象。從本質(zhì)上看，該汽蝕現(xiàn)象是一種流體力學(xué)的空化作用，與旋渦有關(guān)。它是指流體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中壓力降至其臨界壓力（一般為飽和蒸汽壓）之下時(shí)，局部地方的流體發(fā)生汽化，產(chǎn)生微小空泡團(tuán)。該空泡團(tuán)發(fā)育增大至一定程度后，在外部因素的影響（氣體溶解、蒸汽凝結(jié)等）下潰滅而消失，在局部地方引發(fā)水錘作用，其應(yīng)力可達(dá)到數(shù)千個(gè)大氣壓，顯然這種作用具有破壞性。從宏觀上看，汽蝕現(xiàn)象使得流道表面受到浸蝕破壞（一種持續(xù)的高頻打擊破壞），引發(fā)振動(dòng)，產(chǎn)生噪音;在嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)斷裂流動(dòng)，形成流道阻塞，造成水泵性能的下降。因此，研究離心水泵的汽蝕問(wèn)題對(duì)提高水泵性能具有重要的指導(dǎo)意義。

本文針對(duì)某型號(hào)離心水泵在5000次冷熱沖擊耐久試驗(yàn)后葉輪邊緣發(fā)生汽蝕的現(xiàn)狀，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析方法對(duì)泵進(jìn)行CFD分析，分析汽蝕產(chǎn)生的原因，確定汽蝕產(chǎn)生的位置，并進(jìn)行一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為實(shí)際水泵性能提高提供指導(dǎo)。

二、幾何模型

本文以某型號(hào)離心冷卻水泵為研究對(duì)象，利用CATIA軟件生成三維幾何模型，其剖面圖如圖1所示。通過(guò)HyperMesh軟件布爾運(yùn)算提取內(nèi)部計(jì)算流體區(qū)域，提取的水泵CFD計(jì)算區(qū)域如圖2所示。

三、有限元計(jì)算模型及結(jié)果分析

有限元計(jì)算模型

本文利用Hypermesh軟件進(jìn)行前處理，對(duì)圖2所示CFD計(jì)算流體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格總數(shù)425萬(wàn)左右。網(wǎng)格劃分完成后通過(guò)msh格式導(dǎo)入FLUENT軟件進(jìn)行CFD分析。

運(yùn)用FLUENT軟件設(shè)置物理模型與邊界條件并進(jìn)行求解計(jì)算，計(jì)算工況：流量400L/min、水泵葉輪轉(zhuǎn)速4600rpm，水溫度90℃、出口壓力（實(shí)測(cè)）335KPa。采用速度入口十壓力出口邊界條件、并且參考?jí)毫υO(shè)置為OPa。有限元計(jì)算模型如圖3所示。

四、計(jì)算結(jié)果及分析

1、單向流分析結(jié)果

首先采用MRF模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)單相流的流動(dòng)模擬，獲得比較合理的初場(chǎng)。圖4為水泵壁面壓力分布云圖，圖5為葉輪壁面壓力分布云圖。

由圖4、圖5單相流計(jì)算結(jié)果可知：葉輪背面局部低壓較為嚴(yán)重，絕對(duì)壓力達(dá)—149KPa，遠(yuǎn)低于水的汽化壓力。

2、多相流分析結(jié)果

激活多相流設(shè)置、打開汽蝕模型，進(jìn)行水泵多相流汽蝕模擬。90℃下，水的汽化壓力（絕對(duì)壓力）為70.117KPa。圖6為多相流計(jì)算葉輪表面氣相區(qū)分布云圖，圖7為多相流計(jì)算葉輪表面壓力分布云圖，圖8為葉輪表面氣相區(qū)分布云圖與單相流計(jì)算葉輪表面壓力云圖對(duì)比。

由圖6、圖7、圖8多相流計(jì)算結(jié)果可知：?jiǎn)蜗嗔饔?jì)算結(jié)果中的壓力小于液體汽化壓力的區(qū)域，是可能發(fā)生汽蝕的區(qū)域。多相流計(jì)算氣相區(qū)為液體中氣泡產(chǎn)生位置，而氣泡會(huì)隨液體流動(dòng)到高壓區(qū)才會(huì)破滅。因此，實(shí)際汽蝕破壞區(qū)域理論上位于葉輪四周的高壓區(qū)域。

3、水泵葉輪結(jié)構(gòu)改進(jìn)

改進(jìn)葉輪結(jié)構(gòu)，優(yōu)化葉輪局部低壓區(qū)即可提高水泵抗汽蝕性能。改進(jìn)葉輪局部低壓區(qū)結(jié)構(gòu)（將低壓區(qū)填平處理或去掉加強(qiáng)筋并優(yōu)化圓角過(guò)渡區(qū)域），重新進(jìn)行單相流計(jì)算。圖9所示為葉輪改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)對(duì)比圖。

采用MRF模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)單相流的流動(dòng)模擬，得到葉輪表面壓力分布，與原計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以判斷水泵抗汽蝕性能是否提高。圖10所示為原計(jì)算結(jié)果（左）與改進(jìn)葉輪結(jié)構(gòu)（右）計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

由圖10可知：葉輪局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，葉輪表面絕對(duì)最低壓力由原來(lái)的—149KPa提高到31.6KPa，水泵抗汽蝕能力有所提高。但是絕對(duì)最低壓（位于葉片上）仍然低于水的汽化壓力（70.117KPa），仍有發(fā)生汽蝕的風(fēng)險(xiǎn)，可進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)再進(jìn)行CFD仿真驗(yàn)證。

五、結(jié)論

本文針對(duì)某型號(hào)離心水泵在5000次冷熱沖擊耐久試驗(yàn)后葉輪邊緣發(fā)生汽蝕的現(xiàn)狀，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析方法對(duì)泵進(jìn)行CFD單相流、多相流耦合分析，分析得到如下結(jié)論。

（1）單相流計(jì)算結(jié)果中壓力小于液體汽化壓力的區(qū)域，是可能發(fā)生汽蝕的區(qū)域。

（2）多相流計(jì)算氣相區(qū)為液體中氣泡產(chǎn)生位置，而氣泡會(huì)隨液體流動(dòng)到高壓區(qū)才會(huì)破滅。因此，實(shí)際汽蝕破壞區(qū)域理論上位于葉輪四周的高壓區(qū)域。

（3）對(duì)葉輪進(jìn)行填平結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，葉輪表面絕對(duì)最低壓力由原來(lái)的—149KPa提高到31.6KPa，水泵抗汽蝕能力有所提高。但絕對(duì)最低壓力（位于葉片上）仍然低于液體汽化壓力（70.117KPa），仍有汽蝕的風(fēng)險(xiǎn)，可進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)再進(jìn)行CFD仿真驗(yàn)證。