水力干擾對(duì)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(jì)院有限公司，上海 200233）

泵的性能曲線一般是由制造商在出廠時(shí)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求、通過搭建試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行測(cè)量而得的。國內(nèi)泵出廠性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)遵循GB/T3216-2016《回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵 水力性能驗(yàn)收試驗(yàn) 1級(jí)、2級(jí)和3級(jí)》，其泵進(jìn)口流場(chǎng)一般為均勻來流。泵在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中受進(jìn)口段結(jié)構(gòu)尺寸的影響，進(jìn)口來流可能為非均勻流動(dòng)，并且在流體輸送回路中會(huì)出現(xiàn)多臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行的情況，從而相互之間形成一定的水力干擾，其實(shí)際性能較出廠性能曲線會(huì)出現(xiàn)偏差。為預(yù)測(cè)離心泵在實(shí)際使用環(huán)境中真實(shí)的性能參數(shù)，可以借助于流體力學(xué)仿真手段，對(duì)泵的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行水力模型建模，分析得到實(shí)際工況下泵的性能參數(shù)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。本文設(shè)計(jì)了兩種離心泵流體力學(xué)仿真模型，分別為：進(jìn)口為均勻流動(dòng)的單泵水力模型，用以得到近似于離心泵出廠試驗(yàn)的性能數(shù)據(jù)；進(jìn)口為非均勻流動(dòng)、并聯(lián)雙泵水力模型，用來模擬泵的真實(shí)使用環(huán)境，并與單泵均勻來流的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以探尋進(jìn)口為非均勻來流、雙泵并聯(lián)產(chǎn)生的水力干擾對(duì)泵性能參數(shù)產(chǎn)生的影響。

本文使用Simerics MP+軟件進(jìn)行流體力學(xué)計(jì)算分析。Simerics MP+是特別針對(duì)泵閥及其它旋轉(zhuǎn)機(jī)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(dú)特高效的網(wǎng)格生成模式和全空化模型，計(jì)算穩(wěn)定快速，適用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械計(jì)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)域廣泛地應(yīng)用。

通過使用Simerics MP+軟件，本文針對(duì)上述兩個(gè)設(shè)計(jì)案例進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)分析，建立了一套分析計(jì)算模型，得到了兩種來流狀況下泵的穩(wěn)態(tài)性能分析結(jié)果，獲得了進(jìn)口為非均勻來流、雙泵并聯(lián)情況下，水力干擾對(duì)離心泵性能曲線的影響。

1 計(jì)算模型及設(shè)置

本文借鑒了某種成熟型號(hào)離心泵的設(shè)計(jì)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(yùn)行參數(shù)詳見表1。

表1 原型離心泵額定點(diǎn)運(yùn)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(jìn)口充分發(fā)展段的均勻來流單泵模型以及進(jìn)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(jìn)口為非均勻來流及雙泵并聯(lián)情況帶來的水力干擾對(duì)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(jì)算模型主要包括充分發(fā)展進(jìn)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(jì)算模型主要包括非規(guī)則型容器、兩臺(tái)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)模型按各個(gè)功能構(gòu)件進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，并且將各自邊界層進(jìn)行網(wǎng)格加密；邊界條件設(shè)置方面，水力模型進(jìn)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(yàn)證方面，以帶充分發(fā)展進(jìn)口段單泵模型為基準(zhǔn)，選取了3套不同密度網(wǎng)格進(jìn)行敏感性分析，與該成熟型號(hào)離心泵出廠性能試驗(yàn)結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)約400萬與500萬網(wǎng)格數(shù)計(jì)算模型與出廠性能試驗(yàn)結(jié)果符合性較好。綜合考慮模擬分析計(jì)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(jìn)行計(jì)算分析。

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

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 分析結(jié)果有效性

為驗(yàn)證該套離心泵流體力學(xué)分析模型的有效性，將進(jìn)口為均勻流動(dòng)的單泵水力模型計(jì)算分析結(jié)果，與該成熟型號(hào)離心泵的出廠試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，其流量-揚(yáng)程、流量-效率對(duì)比圖詳見圖1及圖2。

圖1 流量-揚(yáng)程模擬分析與出廠試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖2 流量-效率模擬分析與出廠試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

根據(jù)流量-揚(yáng)程、流量-效率分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口為均勻流動(dòng)的單泵水力模型其流量-揚(yáng)程、流量-效率模擬分析結(jié)果與泵廠的出廠試驗(yàn)結(jié)果符合性很好，尤其是在額定流量工況點(diǎn)，模擬分析計(jì)算得到的揚(yáng)程與出廠試驗(yàn)結(jié)果偏差僅為0.009%。其他工況點(diǎn)的分析結(jié)果符合性也很好，僅在0.5Q流量工況點(diǎn)偏差稍大，約為4%。計(jì)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?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)k-ε模型對(duì)于高雷諾數(shù)流動(dòng)分析計(jì)算精確度較高，雷諾數(shù)降低后，計(jì)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(jìn)口、出口水力模型及網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是有效的。

2.2 水力干擾影響分析

進(jìn)口為均勻流動(dòng)的單泵水力模型與進(jìn)口為非均勻流動(dòng)、并聯(lián)雙泵水力模型的流量-揚(yáng)程、流量-效率計(jì)算分析結(jié)果詳見圖3及圖4。

圖3 流量-揚(yáng)程均勻來流與非均勻來流計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖4 效率-揚(yáng)程均勻來流與非均勻來流計(jì)算結(jié)果對(duì)比

對(duì)比進(jìn)口為均勻流動(dòng)的單泵水力模型與進(jìn)口為非均勻流動(dòng)、并聯(lián)雙泵水力模型的流量-揚(yáng)程分析結(jié)果圖3可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口為非均勻流動(dòng)、并聯(lián)雙泵模型的揚(yáng)程除在0.5Q工況下，均較進(jìn)口為均勻流動(dòng)的單泵模型有所降低，并且泵1揚(yáng)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(yáng)程分析結(jié)果相近。隨著流量的增大，雙泵非均勻來流的揚(yáng)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(shì)與侯向陶研究泵進(jìn)口來流產(chǎn)生畸變對(duì)其揚(yáng)程性能產(chǎn)生的影響規(guī)律是一致的。

對(duì)比進(jìn)口為均勻流動(dòng)的單泵水力模型與進(jìn)口為非均勻流動(dòng)、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(shí)兩臺(tái)泵的效率除在0.5Q工況下，均較進(jìn)口為均勻流動(dòng)的單泵模型有所降低，并且泵1揚(yáng)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(shì)與流量-揚(yáng)程大致相同。

3 結(jié)論

本文進(jìn)口為均勻流動(dòng)的單泵水力模型計(jì)算結(jié)果經(jīng)與泵廠的出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)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差，這是由于計(jì)算分析所使用湍流模型的局限性造成的。因此可以認(rèn)為本文建立的離心泵、進(jìn)口、出口水力模型及網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是有效的。

對(duì)比進(jìn)口為均勻流動(dòng)的單泵水力模型與進(jìn)口為非均勻流動(dòng)、并聯(lián)雙泵水力模型分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于進(jìn)口的非均勻流動(dòng)以及兩泵并聯(lián)設(shè)置所帶來的水力干擾作用，對(duì)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(tái)泵在對(duì)應(yīng)流量工況下，其揚(yáng)程、效率較進(jìn)口為均勻流動(dòng)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(yáng)程下降幅度也稍有增大。

本文對(duì)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(jì)算方法設(shè)置可供其他離心泵在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下的性能參數(shù)模擬仿真進(jìn)行借鑒、參考。