旋渦泵工作過程特性研究與數(shù)值模擬

龍創(chuàng)平，曹紅偉，李天敏

（西安航天動力實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西 西安 710100）

0 前言

旋渦泵是一種具有小流量高揚(yáng)程顯著優(yōu)點(diǎn)的泵，在國民經(jīng)濟(jì)的很多領(lǐng)域都有它的身影[1]。旋渦泵經(jīng)過多年的發(fā)展，不斷改進(jìn)，已經(jīng)初步形成了較為完善的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，旋渦泵固然有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但也有有待改進(jìn)的地方，如效率低，抗汽蝕性能較差等，因此研究旋渦泵的工作過程并完善其不足，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。因?yàn)樾郎u泵內(nèi)部流動十分復(fù)雜，要從理論上來分析旋渦泵的工作過程十分困難，而用數(shù)值模擬的方法對其工作過程和工作特性的研究是直觀而有效的方法[2]。

本文利用數(shù)值模擬的方法，運(yùn)用Fluent軟件對徑向間隙為0.25 mm的三維模型工作過程進(jìn)行數(shù)值模擬，對其內(nèi)部流場進(jìn)行了揭示，對其工作原理做了進(jìn)一步闡明。

1 旋渦泵的組成及工作原理

1.1 旋渦泵的組成

如圖1所示為旋渦泵的結(jié)構(gòu)示意圖，由葉輪、葉片、泵殼、引流道及間壁組成。

圖1 旋渦泵

由圖可以看出其具有構(gòu)造簡單的特點(diǎn)。小流量，高揚(yáng)程也是旋渦泵另外一個屬性。通常揚(yáng)程都在100 m以上，流量小的旋渦泵可到0.05 L/s.旋渦泵往往只有一個葉輪，多為單級泵，旋渦泵的比轉(zhuǎn)速一般低于40.旋渦泵有閉式和開式之分，開式葉輪的葉片尺寸較長，被傳輸?shù)慕橘|(zhì)先是從吸入口到達(dá)葉輪，接下來才到達(dá)流道。而閉式葉輪的葉片尺寸較短，被傳輸?shù)慕橘|(zhì)先從吸入口進(jìn)入流道，然后從流道進(jìn)入到葉輪內(nèi)。通常采用閉式旋渦泵作為汽油泵、堿泵和小型鍋爐給水泵等。

1.2 旋窩泵的工作原理

在葉輪轉(zhuǎn)動時，葉輪里的液體受到的作用大，因此它的離心力與流道里的介質(zhì)所受的離心力要大，因此，兩者之間就會形成一種旋渦運(yùn)動，因?yàn)檫@種旋渦的中心線是沿著流道的縱向方向，因此稱為縱向旋渦。在這種旋渦的作用下，被傳輸?shù)慕橘|(zhì)能多次進(jìn)出葉輪，葉輪也會多次對介質(zhì)做功，從而使介質(zhì)獲得能量。葉輪內(nèi)的液體從葉輪流出之后與流道內(nèi)的液體匯合，因?yàn)閮烧叩乃俣炔煌园l(fā)生能量交換，葉輪內(nèi)的液體把能量傳給流道內(nèi)的液體，正是由于這種縱向旋渦的存在，使得泵的揚(yáng)程具有很高的揚(yáng)程。

用動量交換原理來解釋內(nèi)部流動，所得的揚(yáng)程計(jì)算公式為：

式中：ψ為揚(yáng)程系數(shù)；u2為葉輪外圓圓周速度，m/s.

2 旋渦泵工作過程的數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

葉輪采用閉式葉輪，葉片數(shù)為32片，葉片之間的夾角為11.25°，葉片厚度為1.2 mm，葉輪直徑為60 mm，入口流道截面為圓，直徑20 mm，泵殼內(nèi)徑74 mm.用Solidworks軟件對葉輪及泵流動區(qū)域進(jìn)行三維建模，如圖2所示：

圖2 葉輪及流道模型

2.2 網(wǎng)格的劃分

本文采用邊界表示法來對實(shí)體進(jìn)行表示。將建好的三維模型保為.SLDPRT格式，運(yùn)用gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置邊界條件，如圖3所示。

圖3 邊界條件

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

通過模型數(shù)值模擬，分別對整體壓力、整體速度、流道進(jìn)出口截面、葉輪內(nèi)流道、葉輪與泵殼之間的流道、X=3截面、Y=3截面、Z=2截面這八種視圖對壓力場和速度場進(jìn)行展示。

3.1 壓力場

從圖4中可以看出，壓力從進(jìn)口處隨著流道不斷升高，流體進(jìn)口處為負(fù)壓。沿著徑向方向，呈現(xiàn)一定的壓力梯度，葉輪里的壓力低于流道里的壓力，隔舌處出現(xiàn)明顯的壓力分層，出口高進(jìn)口低。

圖4 壓力場云圖

3.2 速度場

從圖5中可以看出，速度在葉輪內(nèi)達(dá)到最高值，最高值出現(xiàn)在進(jìn)口處葉輪，而且沿著徑向方向，葉輪里速度的變化趨勢為先減少再升高，即葉輪外緣靠近流道的流體速度是最高的。

圖5 速度場云圖

3.3 出口回流的形成和改進(jìn)

如圖6所示為旋渦泵出口速度矢量放大圖。

圖6 旋渦泵出口速度矢量放大圖

從圖可以看到，旋渦泵出口處出現(xiàn)了一定量的回流，這是由于流道出口處的速度不均勻而導(dǎo)致了壓力的不均勻?；亓鞯拇嬖谑沟眯郎u泵的流量減少，工作效率降低，因此要避免出現(xiàn)回流。在這提出一個辦法，將與泵體形成一定角度的出口流道左側(cè)用圓滑過渡代替，把出口流道左側(cè)傾斜方向改成與圖中速度指向一致的方向，可以避免出現(xiàn)因流速不一致導(dǎo)致的壓力差，從而避免回流，提高旋渦泵工作效率。

3.4 流線圖

用Tecpolt軟件進(jìn)行處理得到旋渦泵內(nèi)部流線圖如圖7所示，可以看出，旋渦集中在葉輪的兩側(cè)，而且旋渦出現(xiàn)在葉輪外緣靠近流道的地方。旋渦是旋渦泵傳遞能量的形式，旋渦出現(xiàn)得越多，單個旋渦越強(qiáng)烈，傳遞的能量越多，從圖中可以看出，縱向旋渦出現(xiàn)在流道與葉輪流道之間，圖中的上部是靠近進(jìn)口的截面，下部是靠近出口的截面，下部的旋渦要比上部的旋渦更為強(qiáng)烈，這說明了靠近出口的液體所獲得的能量越大。

圖7 流線圖

葉輪轉(zhuǎn)動時，葉輪里的液體受到的作用大，因此它的離心力與流道里的介質(zhì)所受的離心力要大，因此，兩者之間就會形成一種旋渦運(yùn)動，在這種旋渦的作用下，被傳輸?shù)慕橘|(zhì)能多次進(jìn)出葉輪，葉輪也會多次對介質(zhì)做功，從而使介質(zhì)獲得能量。葉輪內(nèi)的液體從葉輪流出之后與流道內(nèi)的液體匯合，因?yàn)閮烧叩乃俣炔煌园l(fā)生能量交換，葉輪內(nèi)的液體把能量傳給流道內(nèi)的液體，由此得知旋渦泵主要就是依靠縱向旋渦來進(jìn)行能量的交換和傳遞。

4 結(jié)論

本文對旋渦泵的工作過程、內(nèi)部流動狀況進(jìn)行分析，通過建立三維模型、Gambit劃分網(wǎng)格、Fluent數(shù)值分析，得到了旋渦泵內(nèi)部壓力場和速度場的分布，對其工作原理做了進(jìn)一步闡明，探討了旋渦泵出口回流的形成及改進(jìn)方法，得到了以下結(jié)論：

（1）壓力從進(jìn)口處隨著流道不斷升高，流體進(jìn)口處為負(fù)壓。沿著徑向方向，呈現(xiàn)一定的壓力梯度，葉輪里的壓力低于流道里的壓力，隔舌處出現(xiàn)明顯的壓力分層，出口高進(jìn)口低。

（2）速度在葉輪內(nèi)達(dá)到最高值，最高值出現(xiàn)在進(jìn)口處葉輪，而且沿著徑向方向，葉輪里速度的變化趨勢為先減少再升高，即葉輪外緣靠近流道的流體速度是最高的。流道里的速度普遍要比葉輪里的速度低，流道進(jìn)出口處的速度低于流道內(nèi)以及葉輪內(nèi)流道的液體速度。

（3）葉輪內(nèi)的液體從葉輪流出之后與流道內(nèi)的液體匯合，因?yàn)閮烧叩乃俣炔煌园l(fā)生能量交換，葉輪內(nèi)的液體把能量傳給流道內(nèi)的液體，由此得知旋渦泵主要就是依靠縱向旋渦來進(jìn)行能量的交換和傳遞。

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