多級離心泵吸水室水力特性及優(yōu)化研究

麻 彥

（山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程管理系 山西太原 030027）

0 引言

多級離心泵通過串聯(lián)葉輪來提高揚(yáng)程，結(jié)構(gòu)緊湊，效率較高，而廣泛應(yīng)用于石油化工、森林消防、高層建筑等領(lǐng)域[1-3]。電機(jī)置于進(jìn)水側(cè)，吸入段為側(cè)向進(jìn)水結(jié)構(gòu)，為提高入流條件，往往采用環(huán)形吸水室結(jié)構(gòu)，一方面滿足結(jié)構(gòu)布置需求，另一方面盡可能的為首級葉輪提供良好的進(jìn)水條件。

為提高多級離心泵吸水室的水力性能，付強(qiáng)[4]通過不同方案指出環(huán)形空間采用弧形結(jié)構(gòu)是降低水力損失的一種有效措施，論文[5-6]指出改善入流條件，對葉輪的效率有明顯的提高。吳大轉(zhuǎn)[7]、郭傲輝[8]等人對離心泵進(jìn)行了性能預(yù)測與葉輪的優(yōu)化研究。周文杰等[9]對多級離心泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

作為多級離心泵吸入段的環(huán)形吸水室結(jié)構(gòu)，前人往往采用水力損失大小來反映進(jìn)水結(jié)構(gòu)的好壞，而水力損失并不能反映出進(jìn)水條件的好壞，本文通過CFD模擬技術(shù)，在對吸水室水力特性分析的基礎(chǔ)上，以進(jìn)水流道出口截面的流速分布均勻度[10]為指標(biāo)進(jìn)行多方案的優(yōu)化設(shè)計，提高多級離心泵吸入段的性能。

1 吸水室水力特性

1.1 計算模型

本文研究對象為多級離心泵吸入段，吸入室為環(huán)形側(cè)向進(jìn)水結(jié)構(gòu)。進(jìn)口直徑200 mm，環(huán)形空間外部直徑為320 mm，內(nèi)部直徑為152 mm，出口外直徑為175 mm，內(nèi)直徑為92 mm。為得到穩(wěn)定的收斂結(jié)果，將出口適當(dāng)延長。吸水室根據(jù)特征結(jié)構(gòu)采用UG建模，為精確捕捉流動特點，網(wǎng)格在ICEM中利用BLOCK塊創(chuàng)建高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并且在拐角處適當(dāng)加密。模型見圖1所示。

圖1 吸水室計算模型

1.2 邊界條件設(shè)置

模型采用雷諾時均N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)κ-ε紊流模型，壁面采用no-slip無滑移壁面條件設(shè)置。計算域流體選擇默認(rèn)的25°水體，不考慮傳熱，進(jìn)口設(shè)置為質(zhì)量流進(jìn)口，按照設(shè)計流量工況300 m3/h指定流量進(jìn)口，出口設(shè)置為相對大氣壓，值為0 Pa，其中控制方程的擴(kuò)散項采用中心差分格式，對流項采用二階迎風(fēng)格式，源項局部線性化。最大迭代步數(shù)為500，殘差值設(shè)置為 10-5。

1.3 計算結(jié)果分析

在迭代曲線中，初設(shè)方案中因脫流存在影響內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，收斂不足10-5，在達(dá)到指定計算步數(shù)后結(jié)束計算。為深入分析環(huán)形吸水室內(nèi)部的流態(tài)，分別沿著對稱面、軸橫截面及吸入段出口取出速度矢量圖如圖所示，各截面及速度矢量圖如圖2所示。

圖2 截面速度矢量圖

從對稱面可知，水流在環(huán)形吸水室近入口側(cè)和遠(yuǎn)離入口側(cè)速度分布不均，在環(huán)形空間的底部速度值整體較小，主要是受中間部分阻隔影響所致，在此影響下，水流被迫轉(zhuǎn)向流向出口，同時又受拐角處的渦帶壓縮影響，在出口靠近軸上方出現(xiàn)局部速度較大值分布，如截面3上部的速度分布。從截面2可以發(fā)現(xiàn)在環(huán)形底部存在對稱的渦帶。由截面3可知最終在吸入室出口的速度分布受側(cè)向入流和環(huán)形空間的影響，速度分布集中體現(xiàn)在頂部分布不均，而在底部相對較均勻。

2 吸水室水力性能優(yōu)化

2.1 方案設(shè)計

在不影響原有結(jié)構(gòu)布置的情況下設(shè)計了三種對比方案。第一種方案將回流區(qū)空間壓縮，類似于簸箕型進(jìn)水流道，如圖3-b；第二種方案將后壁做成“ω”型，利用w結(jié)構(gòu)調(diào)整水流，類似于鐘型進(jìn)水流道結(jié)構(gòu)，如圖3-c；第三種方案設(shè)置整流板，引導(dǎo)水流平順過渡，在后壁設(shè)置隔板減小底部渦帶結(jié)構(gòu)，采用嵌入式網(wǎng)格，并減小中間蝸室的長度，如圖3-c。各方案網(wǎng)格模型見圖3所示。

2.2 優(yōu)化結(jié)果

2.2.1 出口截面速度云圖

為比較不同方案的水力性能，將吸水室出口截面的速度云圖取出，整理成圖4所示，出口的平均軸向速度為4.79 m/s，不同方案速度分布范圍均取1.0～7.0 m/s。

圖3 模型表面網(wǎng)格

圖4 出口截面速度云圖分布

原始方案中吸入段出口的速度云圖分布不均，不僅沿著圓周方向，并且在半徑方向也不均，對應(yīng)論文[11]的不均勻1與不均勻2分布，速度極大值與極小值出現(xiàn)在在上半部，其中小于1.0 m/s的速度區(qū)域在頂部構(gòu)成月牙形，月牙區(qū)域下面速度急速增加，兩側(cè)的速度略高于中間。

優(yōu)化方案一通過壓縮吸水室底部空間，有效減小了回流區(qū)域，底部的低速區(qū)域有效減少，頂部的高速區(qū)域及月牙形低速區(qū)域均減小，速度分布均勻度有效提高，對內(nèi)部流態(tài)結(jié)構(gòu)影響見論文[6]的分析；方案二通過在方案一的基礎(chǔ)上將圓形后壁改成兩段圓弧，構(gòu)成“ω”型后壁，對應(yīng)矢量圖中底部的渦帶具有很好的抑制作用，從速度云圖中也可直觀的反映出速度分布能夠進(jìn)一步得到改善；優(yōu)化方案3在所有方案中改善效果最好，截面最大速度從7.0m/s以上降低到了5.2m/s以下。在流場結(jié)構(gòu)本身紊亂的情況下通過調(diào)整外部輪廓線遠(yuǎn)不及內(nèi)部整流措施效果明顯。

2.2.2 面積加權(quán)流速均勻度

以面積加權(quán)流速均勻度為判別指標(biāo)，其定義如下[12]，取出整理成圖5所示。

Vai——各計算單元的軸向速度；

Aai——斷面上的計算單元面積；

A——斷面總面積。

圖5 不同方案流速均勻度對比圖

由圖可知，原始方案進(jìn)水流道出口的斷面均勻度只有50.9%，在經(jīng)過不同的優(yōu)化方案之后經(jīng)斷面均勻度最高達(dá)到了76.57%，極大地提高了進(jìn)水流道的水力性能。整流柵方案通過調(diào)整兩側(cè)的水量分配對流場影響較明顯，較調(diào)整結(jié)構(gòu)型線更有效果。

3 結(jié)論

通過數(shù)值模擬獲得了多級離心泵吸入室流場結(jié)構(gòu)特點，分別分析了主要截面的速度矢量分布，并根據(jù)流場結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，以流速面積加權(quán)均勻度為指標(biāo)驗證了優(yōu)化方案的可行性。主要結(jié)論如下：

1）本文中原始方案的環(huán)形吸水室出口速度分布不均，未能為葉輪提供良好的進(jìn)水條件。

2）通過借鑒大型低揚(yáng)程泵站進(jìn)水流道優(yōu)化的思路，分別進(jìn)行了仿簸箕型、鐘型w后壁和添加整流柵的優(yōu)化設(shè)計仿真，結(jié)果表明，設(shè)計流量工況下面積加權(quán)流速均勻度從原方案的50.38%分別提高至56.15%、63.94%和76.57%，以整流柵方案效果最為明顯。