對于化工離心泵葉輪內(nèi)部湍流流動的分析

何穎

摘 要：為研究離心泵內(nèi)部伴有鹽析的復(fù)雜液固兩相流動問題 ，首先需要了解在清水狀態(tài)下 ，其內(nèi)部真實(shí)流動現(xiàn)象的物理本質(zhì). 為此 ，基于 N - S方程和標(biāo)準(zhǔn)的 k - ε湍流模型 ，利用 FLUENT 6. 1 對清水狀態(tài)下離心泵葉輪內(nèi)部的三維湍流場進(jìn)行了數(shù)值模擬 ，并運(yùn)用先進(jìn)的測量儀器 P IV 對改進(jìn)設(shè)計(jì)后的化工離心泵葉輪內(nèi)部流場進(jìn)行了測量 ，給出了其相對速度分布圖. 同時 ，結(jié)合數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)研究 ，對離心泵葉輪內(nèi)部流場進(jìn)行了初步分析. 試驗(yàn)結(jié)果表明 ，計(jì)算所采用的模型的修正方法基本符合離心泵內(nèi)部流動的實(shí)際情況。

關(guān)鍵詞：離心泵葉輪；湍流流動；內(nèi)部流動；分析

引言：葉輪機(jī)械內(nèi)部伴有鹽析的液固兩相流動這一基 子圖像速度場儀 P IV 直接應(yīng)用于泵內(nèi)部流場的研基礎(chǔ)科學(xué)問題一直是學(xué)術(shù)界和工程界的難題.在國際國內(nèi)已經(jīng)得到了普遍的認(rèn)可，實(shí)際應(yīng)用 漿造紙、石油化工等行業(yè)中 ，離心泵內(nèi)部結(jié)鹽現(xiàn)象相 的例子越來越多。由于粘性的影響及伴有鹽析的液固兩為揭示鹵水在葉輪內(nèi)部流動的真實(shí)情況相流動 ，使離心泵葉輪內(nèi)部流動非常復(fù)雜。首先著眼于在清水狀態(tài)下 ，離心泵葉輪內(nèi)部流動情離心泵內(nèi)部流場的研究 ，多年來一直受到了許情況的研究. 擬采用數(shù)值計(jì)算的方法求出離心泵葉輪，很多學(xué)者的高度重視 ，以往普遍采用的探針只能對流內(nèi)部的速度場和壓力場的分布 ，并利用 P IV 對葉輪場進(jìn)行單點(diǎn)測量 ，由于激光測量技術(shù)的發(fā)展 ， 將粒內(nèi)部流動情況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

一、離心泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬

1.基本參數(shù)

數(shù)值模擬的離心泵的基本參數(shù) ： 流量 Q =25 m3 / h， 揚(yáng)程 H= 20 m， 轉(zhuǎn)速 n = 2 890 r/m in. 數(shù)值模擬的基本假定是：工作介質(zhì)為牛頓流體且局部各向同性. 再把葉輪三維模型導(dǎo)入到 GAMB IT中進(jìn)行網(wǎng)格劃分. 作者采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散， 為提高網(wǎng)格質(zhì)量及加快求解速度運(yùn)用了局部加密技術(shù).

2.控制方程

基于 N - S方程和湍流模型， 模擬離心泵葉輪內(nèi) 部的三維湍流， 其連續(xù)性方程和動量方程可以描述為

Ex + F y + Gz = S。

3.湍流模型

為了封閉方程 （ 1） ， 還需給出湍流模型， 采用標(biāo)準(zhǔn) k - ε湍流模型， 該模型的控制方程組如下：ρui k -μekx= Gk - ρε，x， y， z方向； Gk 為湍動能產(chǎn)生項(xiàng)，Gk =μt [ （ uy + vx ） 2+ （ vz + wy ） 2 + （wx + uz ） 2 + 2 （ u2x + v2y + w2z ） ]； 各常數(shù)分別定義為 Cμ = 0. 09，σk = 1. 0， σε = 1. 3， C1 =1. 44，C2 = 1. 92。

4.邊界條件

根據(jù)離心泵葉輪進(jìn)口的特點(diǎn)， 由質(zhì)量守恒定律和進(jìn)口無旋的假設(shè)確定軸向速度， 并假設(shè)切向速度和徑向速度為零. 湍動能的進(jìn)口值取進(jìn)口平均動能的 0. 5 % ； 進(jìn)口處湍動能耗散率按湍動能和進(jìn)口特征長度計(jì)算， 即ε =Cμ3/ 4 k3in/ 2 Kyin ，式中， kin 為進(jìn)口處的湍動能； yin 為近壁計(jì)算點(diǎn)到壁面的距離； k為卡門常數(shù)， 取 K = 0. 假定出口邊界處流動已充分發(fā)展， 出口區(qū)域離開回流區(qū)較遠(yuǎn)， 出口處的速度由上游一層網(wǎng)格點(diǎn)的速度值推延而得. 固壁上滿足無滑移條件， 即相對速度 w = 0； 壓力應(yīng)滿足 N eum a， 即第二類邊界條件5p / 5n = 0； 湍流壁面條件采用壁面函數(shù)邊界條件。

5.計(jì)算結(jié)果

二、葉輪內(nèi)部流場的 P IV 測量

1.測試系統(tǒng)

采用的測試儀器是美國 TSI公司生產(chǎn)的 P IV 系統(tǒng) ，其中激光工作頻率為 15Hz，發(fā)出波長為 532 nm ， 單個脈沖能量為 120 mJ； CCD 相機(jī)分辨率為 1 248 ×1 024 像素 ，最大圖像采集率可達(dá)到 7. 5幀 /秒；同步器用來協(xié)調(diào)激光和相機(jī)的工作時序. P IV 系統(tǒng)的控制和圖像采集分析由 Insight 5. 0軟件實(shí)現(xiàn) ，工作平臺是 W indow s 2000. 該軟件系統(tǒng)組成示意圖。

2.測量結(jié)果

測試所得到的速度為葉輪內(nèi)部液體的絕對速 采用直徑為8μm 的三氧化二鋁作為示蹤粒子，按照速度三角形分解為相對速度 ，這里僅給出各驗(yàn)工況以及所測的葉輪均與數(shù)值計(jì)算的相同.

3.內(nèi)部流場的分析

通過內(nèi)部流場的計(jì)算，可以獲得流場內(nèi)部任意點(diǎn)、面和體的速度及壓力分布情況，這是實(shí)驗(yàn)測試難以比擬的。以下對比不同湍流模型在設(shè)計(jì)工況（Q=Qd=3.06L/S）和不同流量下進(jìn)行流場計(jì)算得到的，沿流道進(jìn)口到出口，靜壓分布逐漸增大，且分布比較均勻，各個模型在靠近進(jìn)口和壓力面都存在低壓區(qū)，而進(jìn)口處出現(xiàn)負(fù)壓，所以易發(fā)生空化現(xiàn)象?，F(xiàn)大的流動分離。在葉片壓力面附近有低速區(qū)的出現(xiàn)總體趨勢一致。這驗(yàn)證了上面的分析。RNGk-ε 模型、RSM 模型和Realizablek-ε 模型在靠葉片進(jìn)口出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，它改變流動方向，發(fā)生流動分離，發(fā)展成一小渦流，但標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型沒有發(fā)現(xiàn)分離和小渦流。

三、計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果分析

力面相對速度相差較大 ，因此葉片負(fù)荷較大. 隨著半徑增大 ，吸力面流速逐漸變小 ，壓力面相對速度逐漸大在設(shè)計(jì)流量下 ，在半徑較小靠增大 ，吸力面與壓力面的相對流速差逐漸減小.近葉輪進(jìn)口處 ，葉片吸力面附近相對速度比壓力面比較小，相對速度高 ，相對速度最高位于吸力面進(jìn)口處壓力面相對速度下降 ，這與勢流理論預(yù)測的量下 ，從葉片進(jìn)口到葉片出口的相對流速變化較平順 ，分布較合理；小流量工況下 ，在葉片壓力面附近有較大的低速區(qū) ，但相對速度變化緩慢 ；大流量工況下 ，在葉片壓力面附近的低速區(qū)變小。

結(jié)語：數(shù)值計(jì)算的結(jié)果 ，符合葉輪機(jī)械內(nèi)特性的一般規(guī)律 ，而且與 P IV 的測量結(jié)果總體趨勢基本吻合 ，這表明了利用 FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬的正確性； 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果在數(shù)值上有一定差別 ，原因有三方面 ，數(shù)值模擬是基于 k - ε模型的修正 ，不完全符合離心泵內(nèi)部流動的實(shí)際情況 ；在試驗(yàn)方面 ，由于過分考慮了方便 P IV 測量 ，而采用了較大的泵腔 ，影響測量的結(jié)果；在試驗(yàn)過程中 ，泵后蓋處產(chǎn)生的大量的空氣泡也會影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊敏官 離心泵葉輪內(nèi)部三維湍流流動的分析 [ J ]. 江蘇大學(xué)自然科學(xué)版 ，2015（ 01）

[2]林敏 離心泵葉輪內(nèi)部湍流流場的數(shù)值模擬[ J ]. 福建大學(xué)學(xué)報(bào)2013（08），