水力干擾對并聯(lián)雙泵性能影響數(shù)值模擬分析研究

馮磊，夏栓，陳麗，黃若濤，艾明

（上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海200233）

1 背景

泵的性能曲線一般是由制造商在出廠時根據(jù)標準規(guī)范要求，通過搭建試驗臺架進行測量而得的。國內(nèi)泵出廠性能試驗標準一般遵循GB/T3216-2016《回轉(zhuǎn)動力泵水力性能驗收試驗1級、2級和3級》，其泵進口流場一般為均勻來流。泵在實際運行環(huán)境中受進口段結(jié)構(gòu)尺寸的影響，進口來流可能為非均勻流動，并且在流體輸送回路中會出現(xiàn)多臺泵并聯(lián)運行的情況，從而相互之間形成一定的水力干擾，其實際性能較出廠性能曲線會出現(xiàn)偏差。為預(yù)測離心泵在實際使用環(huán)境中真實的性能參數(shù)，可以借助流體力學(xué)仿真手段，對泵的實際運行環(huán)境進行水力模型建模，分析得到實際工況下泵的性能參數(shù)，從而對實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。本文設(shè)計了兩種離心泵流體力學(xué)仿真模型，分別為：進口為均勻流動的單泵水力模型，以得到近似于離心泵出廠試驗的性能數(shù)據(jù)；進口為非均勻流動、并聯(lián)雙泵水力模型，用來模擬泵的真實使用環(huán)境，并與單泵均勻來流的分析結(jié)果進行對比，以探尋進口為非均勻來流、雙泵并聯(lián)產(chǎn)生的水力干擾對泵性能參數(shù)產(chǎn)生的影響。

本文使用Simerics MP+軟件進行流體力學(xué)計算分析。Simerics MP+是Simerics公司特別針對泵閥及其它旋轉(zhuǎn)機械CFD數(shù)值模擬而開發(fā)的一款專業(yè)軟件，具有豐富的泵閥模塊，獨特高效的網(wǎng)格生成模式和全空化模型，計算穩(wěn)定快速，適用于旋轉(zhuǎn)機械計算流體力學(xué)模擬分析。該軟件已成功應(yīng)用于諸多離心泵模擬分析案例中[1]，并且在泵閥、航天、汽車、船舶等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

2 計算模型及設(shè)置

本文借鑒了某種成熟型號離心泵的設(shè)計尺寸及性能數(shù)據(jù)，按照1:1的結(jié)構(gòu)比例建立了其水力模型。該原型泵在其額定工況下的運行參數(shù)詳見表1。

表1 原型離心泵額定點運行參數(shù)

本文在完成該離心泵水力模型的基礎(chǔ)上，分別建立了帶進口充分發(fā)展段的均勻來流單泵模型以及進口為非規(guī)則結(jié)構(gòu)的非均勻來流、雙泵并聯(lián)模型，以分析進口為非均勻來流及雙泵并聯(lián)情況帶來的水力干擾對離心泵穩(wěn)態(tài)性能的影響情況。

均勻來流單泵流體力學(xué)計算模型主要包括充分發(fā)展進口直管段、離心泵以及充分發(fā)展出口直管段；非均勻來流雙泵并聯(lián)流體力學(xué)計算模型主要包括非規(guī)則型容器、兩臺并聯(lián)離心泵以及充分發(fā)展出口直管段；離心泵水力模型主要包括葉輪、導(dǎo)葉、蝸殼以及間隙。

計算模型設(shè)置選用了Simerics MP+軟件中的離心泵分析模型；湍流模型選用標準k-ε模型；流體介質(zhì)設(shè)置液相為水，氣相為水蒸汽，溫度25℃；網(wǎng)格劃分按照Simerics MP+軟件的二叉樹加六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分法，對模型按各個功能構(gòu)件進行自動網(wǎng)格劃分，并且將各自邊界層進行網(wǎng)格加密；邊界條件設(shè)置方面，水力模型進口采用速度邊界條件，出口采用壓力邊界條件。

在網(wǎng)格無關(guān)性驗證方面，以待充分發(fā)展進口段單泵模型為基準，選取了3套不同密度網(wǎng)格進行敏感性分析，與該成熟型號離心泵出廠性能試驗結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)約400萬與500萬網(wǎng)格數(shù)計算模型與出廠性能試驗結(jié)果符合性較好。綜合考慮模擬分析計算效率及精度，最終選取400萬網(wǎng)格數(shù)的網(wǎng)格劃分參數(shù)設(shè)置進行計算分析。

在模擬分析計算工況點選取方面，以額定流量1780m3/h為基準，設(shè)定其為1.0Q，在額定流量點之外，分別選取流量為1.2Q、0.85Q、0.7Q、0.5Q的工況點進行模擬分析計算，得到兩個流體力學(xué)分析模型的穩(wěn)態(tài)性能曲線。

3 計算結(jié)果分析

3.1 分析結(jié)果有效性

為驗證該套離心泵流體力學(xué)分析模型的有效性，將進口為均勻流動的單泵水力模型計算分析結(jié)果，與該成熟型號離心泵的出廠試驗結(jié)果進行對比分析，其流量-揚程、流量-效率對比圖詳見圖1及圖2。

圖1 流量-揚程模擬分析與出廠試驗結(jié)果對比圖

圖2 流量-效率模擬分析與出廠試驗結(jié)果對比圖

根據(jù)流量-揚程、流量-效率分析與試驗結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)，進口為均勻流動的單泵水力模型其流量-揚程、流量-效率模擬分析結(jié)果與泵廠的出廠試驗結(jié)果符合性很好，尤其在額定流量工況點，模擬分析計算得到的揚程與出廠試驗結(jié)果偏差僅為0.009%。其他工況點的分析結(jié)果符合性也很好，僅在0.5Q流量工況點偏差稍大，約為4%。計算分析所使用湍流模型的局限性可能是造成這種情況的原因，因為標準k-ε模型對于高雷諾數(shù)流動分析計算精確度較高，雷諾數(shù)降低后，計算精度可能有所降低。

綜合上述分析結(jié)果，本文建立的離心泵、進口、出口水力模型及網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是有效的。

3.2 水力干擾影響分析

進口為均勻流動的單泵水力模型與進口為非均勻流動、并聯(lián)雙泵水力模型的流量-揚程、流量-效率計算結(jié)果對比圖詳見圖3及圖4。

圖3 流量-揚程均勻來流與非均勻來流計算結(jié)果對比圖

圖4 流量-效率均勻來流與非均勻來流計算結(jié)果對比圖

對比進口為均勻流動的單泵水力模型與進口為非均勻流動、并聯(lián)雙泵水力模型的流量-揚程分析結(jié)果圖3可以發(fā)現(xiàn)，進口為非均勻流動、并聯(lián)雙泵模型的揚程除在0.5Q工況下，均較進口為均勻流動的單泵模型有所降低，并且泵1揚程下降的幅度較泵2稍大；在0.5Q工況下，單泵均勻來流與雙泵非均勻來流的揚程分析結(jié)果相近。隨著流量的增大，雙泵非均勻來流的揚程下降幅度也越加增大，在1.0Q工況下，其與單泵均勻來流相比，差值約為3.7%；在1.2Q工況下，其與單泵均勻來流相比，差值約為4.3%。該趨勢與侯向陶[3]研究泵進口來流產(chǎn)生畸變對其揚程性能產(chǎn)生的影響規(guī)律是一致的。

對比進口為均勻流動的單泵水力模型與進口為非均勻流動、并聯(lián)雙泵水力模型的流量-效率分析結(jié)果圖4可以發(fā)現(xiàn)，雙泵并聯(lián)時兩臺泵的效率除在0.5Q工況下，均較進口為均勻流動的單泵模型有所降低，并且泵1揚程下降的幅度較泵2稍大，在額定工況1.0Q處，泵1效率與單泵均勻來流相比相差約2.4%。流量-效率的變化趨勢與流量-揚程大致相同。

4 結(jié)論

本文進口為均勻流動的單泵水力模型計算結(jié)果經(jīng)與泵廠的出廠試驗數(shù)據(jù)對比后發(fā)現(xiàn)，兩者的符合性很高，僅在小流量工況下有些偏離，這是由于計算分析所使用湍流模型的局限性造成的。因此可以認為本文建立的離心泵、進口、出口水力模型及網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是有效的。

對比進口為均勻流動的單泵水力模型與進口為非均勻流動、并聯(lián)雙泵水力模型分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于進口的非均勻流動以及兩泵并聯(lián)設(shè)置所帶來的水力干擾作用，對離心泵本身的性能曲線產(chǎn)生了一定的影響。即除小流量工況外，兩臺泵在對應(yīng)流量工況下，其揚程、效率均較進口為均勻流動的單泵模型略有降低，且泵1降低的幅度略大于泵2；隨著流量的增大，并聯(lián)雙泵的揚程下降幅度也稍有增大。

本文對于離心泵的水力模型建模方法、網(wǎng)格劃分方法、模型邊界條件及流體計算方法設(shè)置可供其他離心泵在實際運行環(huán)境下的性能參數(shù)模擬仿真進行借鑒、參考。