自吸式旋渦泵內(nèi)流場數(shù)值模擬與試驗研究

竇立波, 朱玉蘭, 陸紀根, 居杰, 王友宏

（江蘇亞梅泵業(yè)集團有限公司，江蘇 靖江214500）

0 引 言

自吸式旋渦泵是一種廣泛應(yīng)用于石化、航空業(yè)、農(nóng)業(yè)和市政工程等領(lǐng)域的通用機械產(chǎn)品，具有揚程高、流量小、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、體積小和能自吸等特點，其水力性能特征介乎于普通離心泵和容積泵之間，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性[1]。自吸式旋渦泵主要由葉輪、泵體、氣水分離室、電磁閥和進、出口管等組成，其中葉輪、泵體和儲水箱是影響其性能的核心關(guān)鍵水力部件，其葉輪分為開式葉輪和閉式葉輪2類，其泵體流道可分為開式流道、閉式流道和半開式流道3種。目前常用的自吸式旋渦泵結(jié)構(gòu)主要采用閉式葉輪和開式流道的結(jié)構(gòu)型式，其具有較好的自吸性能和效率，適用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。在以往的研究中，主要采用經(jīng)驗設(shè)計和試驗方法進行自吸式旋渦泵產(chǎn)品的設(shè)計，對于旋渦泵內(nèi)流場分布和泵體流道內(nèi)部增壓規(guī)律缺少量化研究，近幾年來，國內(nèi)外學者利用CFD(Computational Fluid Dynamics)數(shù)值仿真技術(shù)對旋渦泵進行了研究，取得了一定的進展[2]。

沙毅、唐濤等[3-4]采用經(jīng)驗設(shè)計和試驗方法開展了自吸式旋渦泵的效率分析、水力設(shè)計與試驗研究，分析了閉式旋渦泵的水力設(shè)計模型和方法，并通過模型試驗進行了驗證，對于葉輪和泵體模型的設(shè)計優(yōu)化提供了理論和試驗基礎(chǔ)。朱祖超、王樂勤等[5-6]開展了小流量、高揚程旋渦泵的設(shè)計理論與試驗方法研究，建立了小流量旋渦泵的水力模型設(shè)計理論，并進行了試驗驗證研究，為后續(xù)的特種旋渦泵產(chǎn)品開發(fā)提供了參考。施衛(wèi)東等[7]采用CFD數(shù)值模擬方法研究了不同流道截面形狀對于其性能影響的規(guī)律，并對于旋渦泵內(nèi)流場的分布特征進行了比較研究。劉志超等[8]采用CFD非定常數(shù)值模擬方法研究了旋渦泵葉片結(jié)構(gòu)和分布對于其內(nèi)部壓力脈動和能量分布的影響，分析了葉片分布對于旋渦泵噪聲和振動特性的影響規(guī)律，并總結(jié)了旋渦泵的優(yōu)化設(shè)計方法。本文以某工業(yè)用自吸式旋渦泵產(chǎn)品為目標，開展數(shù)值模擬和試驗驗證研究，分析了自吸式旋渦泵的水力性能和內(nèi)部流場分布規(guī)律，為后續(xù)的水力模型改進設(shè)計提供有效參考。

1 設(shè)計參數(shù)和三維模型

以某公司的工業(yè)用自吸式旋渦泵為研究對象，其主要設(shè)計參數(shù)為：設(shè)計工況點的流量Q0= 8 m3/h，揚程H0=24 m，轉(zhuǎn)速n=1450 r/min。其葉輪采用閉式葉輪，葉輪葉片數(shù)為80，泵體流道采用開式流道結(jié)構(gòu)，泵體流道型式為環(huán)形流道。采用三維造型軟件建造獲得的自吸式旋渦泵內(nèi)部流場三維模型（如圖1），其主要包括進口管、出口管、氣水分離室、葉輪和泵體流道等部分，為了增強模型的穩(wěn)定性，三維模型的進口管和出口管進行了一定的延伸[9]。

2 數(shù)值模型

2.1 模型網(wǎng)格劃分

根據(jù)圖1可知，自吸式旋渦泵的內(nèi)流場三維模型形狀較為復雜，為了減少數(shù)值模擬的計算工作量和準確捕捉其內(nèi)部流動特征，采用混合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對該內(nèi)流場三維模型進行網(wǎng)格劃分。利用專業(yè)網(wǎng)格軟件ICEM進行該模型的網(wǎng)格劃分，其進口管、出口管和葉輪部分采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，氣水分離室和泵體流道等部分采用適應(yīng)性較強的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，同時在葉輪和泵體流道交界區(qū)域進行了網(wǎng)格局部加密處理。網(wǎng)格無關(guān)性分析后，確定該網(wǎng)格模型節(jié)點總數(shù)約為121萬，此時的計算誤差相對很小，最終確定模型參數(shù)如表1所示[10]，網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖1 自吸式旋渦泵內(nèi)流場三維模型

表1 網(wǎng)格模型參數(shù)

2.2 模型算法和邊界

按照以往的研究文獻和模型分析方法，采用RNG k-ε湍流模型對自吸式旋渦泵三維流場模型進行求解，葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用多重參考系（MRF）方法進行求解，進口管的進口邊界采用無旋的速度進口條件，出口管的出口邊界條件采用壓力出口條件，模型所有動、靜壁面采用無滑移條件[11]。對流項和擴散項分別采用二階迎風差分和中心差分格式，收斂殘差值為10-4，最終確定數(shù)值模型算法和邊界條件如表2所示。

為準確了解流體介質(zhì)在泵體流道內(nèi)的靜壓變化過程，沿著泵體流道內(nèi)的流體流動方向，分別選擇如圖3所示的A、B、C、D、E共5個過流斷面作為監(jiān)測截面，對泵體流道內(nèi)部的流體靜壓增加過程進行監(jiān)測和描述。

圖2 自吸式旋渦泵網(wǎng)格劃分

3 結(jié)果分析

3.1 水力性能驗證

按照上述自吸式旋渦泵模型的技術(shù)參數(shù)，通過其數(shù)值模型計算的工況點包括0.1Q0、0.5Q0、1.0Q0（設(shè)計工況點）和1.5Q0共4個工況點，同時按照JB/T 7743-2011《旋渦泵》和GB 3216-2005《回轉(zhuǎn)動力泵水力性能驗收試驗》標準要求開展了自吸式旋渦泵的水力性能試驗，并對其水力性能試驗結(jié)果進行了分析。通過對數(shù)值模擬和試驗結(jié)果進行對比分析，獲得自吸式旋渦泵的數(shù)值模擬和水力性能試驗的揚程曲線對比，如圖4所示。

表2 模型算法和邊界條件

圖3 泵體流道監(jiān)測截面

圖4 揚程曲線對比

從圖4可知，自吸式旋渦泵的揚程隨著流量的增大而近似呈線性降低，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果趨勢一致，其中數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果在1.0Q0流量（設(shè)計工況點）附近時的相對誤差最小，隨著流量的增大和減小，其相對誤差逐漸增大。經(jīng)過計算可知，在設(shè)計工況點，數(shù)值模擬和試驗結(jié)果的揚程相對誤差約為3%，顯示了該數(shù)值模型計算的準確性。

3.2 泵體流道內(nèi)部靜壓分析

隨著旋渦泵葉輪葉片的高速旋轉(zhuǎn)，泵體流道內(nèi)會產(chǎn)生周期性的沖擊、渦旋和剪切流動等現(xiàn)象，流體在旋渦泵泵體流道內(nèi)不斷增壓，旋渦泵內(nèi)部流體流動屬于非常復雜的三維空間湍流狀態(tài)，通過常規(guī)分析方法難以研究其內(nèi)部流動規(guī)律。為了分析自吸式旋渦泵泵體流道內(nèi)的流體靜壓增壓過程和靜壓分布規(guī)律，根據(jù)上述數(shù)值模型計算結(jié)果，沿著流體流動方向，對圖3所示的泵體流道監(jiān)測截面A、B、C、D、E進行了靜壓分析，各監(jiān)測截面在不同工況點下的靜壓曲線如圖5所示（為便于分析，設(shè)定監(jiān)測截面A的靜壓值為零）。

圖5 監(jiān)測截面（過流斷面）靜壓曲線

從圖5可知，不同工況點條件下，泵體流道內(nèi)部沿著流動方向的流體靜壓變化曲線基本一致，其總體近似呈線性增長，從泵體流道的進口監(jiān)測截面A開始，流體靜壓逐漸增大至泵體流道的出口監(jiān)測截面E。從圖5的靜壓曲線變化特征可知，在泵體流道的進口和出口附近，即流體從監(jiān)測截面A→B和監(jiān)測截面D→E的流動過程中，其靜壓增長相對較為平緩，而流體從監(jiān)測截面B→D的流動過程中，其靜壓增長相對較快。

根據(jù)上述結(jié)果可知，流體在泵體流道內(nèi)部的靜壓分布規(guī)律基本一致，其總體近似呈線性增長。通過詳細分析發(fā)現(xiàn)，相比較而言，流體在泵體流道的進、出口附近增長速率相對較低，其在泵體流道中間段（監(jiān)測截面B→D）增長速率相對較高，該現(xiàn)象反映了泵體流道內(nèi)部流動狀態(tài)的變化趨勢。

4 結(jié) 論

1）研究結(jié)果顯示，基于RNG k-ε湍流模型的自吸式旋渦泵數(shù)值模型可以較為準確地預測旋渦泵的水力性能曲線和內(nèi)部流場特征，在設(shè)計工況點時，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果在設(shè)計工況點附近最為接近，其揚程相對誤差約為3%。

2）沿著流體流動方向，自吸式旋渦泵泵體流道內(nèi)的靜壓近似呈線性增長，不同工況下的泵體流道內(nèi)靜壓增長曲線基本一致。

3）在泵體流道進、出口流動條件的影響下，流體在泵體流道中間段（監(jiān)測截面B-D）流動過程中的靜壓增長相對較快，表明在該流動區(qū)域內(nèi)的葉輪與流體之間的動能交換更為高效顯著，該結(jié)果可以為后續(xù)的泵體改進提供有效參考。