WQ系列潛水排污泵CFD分析與試驗

孫瑾亭

（合肥凱泉電機電泵有限公司，合肥 230000）

0 引言

水泵作為一種通用機械，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域[1]。其中潛水排污泵是一種泵與電動機連體，且一起在液下工作的泵類產(chǎn)品，具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小等特點，并且因為泵和電動機同軸，轉(zhuǎn)動部件質(zhì)量輕，使軸承上承受的載荷相對較小，因此壽命比一般泵要長得多[2]。主要用于污水處理廠、市政污水提升泵站、水利排灌、自來水廠、一體化泵站、引水工程等場合進(jìn)行輸送含有固形物和長纖維的污水、廢水、雨水等。但是也因為排污泵輸送的介質(zhì)是一些含有固體物料等大顆粒尺寸的混合液體，會造成轉(zhuǎn)動部件質(zhì)量與葉輪承受水壓力同向，使得排污泵在密封、過載等方面的問題較為突出。

針對該問題，上海凱泉泵業(yè)（集團(tuán)）有限公司的研發(fā)團(tuán)隊在整合了現(xiàn)有的排污泵系列，并且吸收了國內(nèi)外同類產(chǎn)品的優(yōu)點的基礎(chǔ)上，全新研制開發(fā)了無過載水力模型，發(fā)布了新一代WQ系列潛水排污泵。該排污泵嚴(yán)格執(zhí)行GB/T24674-2009《污水污物潛水電動機》國家標(biāo)準(zhǔn)，較大提高了泵的承載能力，延長了泵的使用壽命，是一款真正意義上的無過載全揚程潛水泵，具有更高的配置、更優(yōu)的水力性能、更強的通用性、更好的可靠性、更強的市場適應(yīng)力。

本文以無過載水力模型開發(fā)的WQ2520-6110-500型號為例，建立三維水力模型，并將模型導(dǎo)入ICEM CFD中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選定恰當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ图斑吔鐥l件，進(jìn)行葉片泵定常計算過程的CFD分析[3]，最終得到形象的數(shù)據(jù)結(jié)果并計算出揚程、轉(zhuǎn)矩，從而求得水力模型的效率，并進(jìn)行試驗對比，驗證數(shù)值分析計算的正確性。

1 建立三維水力模型

WQ2520-6110-500潛水排污泵的水力模型由葉輪、蝸殼、進(jìn)口延長段、出口延長段等4部分組成。葉輪的主要參數(shù)為葉輪進(jìn)口直徑Dj、葉片出口寬度b2、葉輪出口直徑D2、葉片包角φ、葉片數(shù)z等。蝸殼的主要參數(shù)為基圓直徑D3、蝸殼進(jìn)口寬度b3、隔舌角φ0等[4]。

由于ICEM CFD建模功能不強，因此對于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型常常需要在專業(yè)的軟件中進(jìn)行創(chuàng)建，然后再將幾何文件導(dǎo)入到ICEM CFD中再完成網(wǎng)格劃分。因此選擇在三維造型軟件ProE中進(jìn)行三維實體造型[5]，繪制得到葉輪、蝸殼、進(jìn)口延長段、出口延長段的水力模型，將四部分配合在一起形成最終的水力模型，如圖1所示。

圖1 WQ2290-6156-500水力模型

2 CFD分析

網(wǎng)格是模擬與分析的載體，其質(zhì)量直接影響CFD數(shù)值計算的精度。由于葉片泵幾何模型復(fù)雜、曲率變化劇烈，因此使用目前最流行的網(wǎng)格劃分軟件ICEM CFD[6]，它擁有強大的CAD模型修復(fù)能力、網(wǎng)格編輯技術(shù)、廣泛的求解器支持能力，以及能夠進(jìn)行諸如葉片泵這類復(fù)雜模型的高質(zhì)量結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分能力[7]。

網(wǎng)格主要分為四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格、三棱柱網(wǎng)格和O-Grid網(wǎng)格等，其中四面體網(wǎng)格能夠很好地貼合復(fù)雜的集合模型，六面體網(wǎng)格的網(wǎng)格質(zhì)量高但生成過程復(fù)雜，三棱柱網(wǎng)格適合于薄壁幾何模型，O-Grid網(wǎng)格適用于圓或圓弧模型，因此本次網(wǎng)格劃分采用四面體非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，通過Global Mesh Parameters（全局網(wǎng)格設(shè)置）設(shè)置全局網(wǎng)格尺寸和表面網(wǎng)格類型及大小，進(jìn)行體網(wǎng)格劃分。

由于蝸殼隔舌處對模擬分析結(jié)果有很大的影響，所以對蝸殼的隔舌處進(jìn)行加密網(wǎng)格劃分。其中葉輪網(wǎng)格數(shù)約為250萬，蝸殼網(wǎng)格數(shù)約為380萬，進(jìn)口延長段網(wǎng)格數(shù)約為150萬，出口延長段網(wǎng)格數(shù)約為180萬，總網(wǎng)格數(shù)達(dá)到約960萬。網(wǎng)格生成以后，查看網(wǎng)格質(zhì)量是否滿足計算要求，進(jìn)行網(wǎng)格修改，修剪生成的網(wǎng)格，刪去質(zhì)量低于0.4的網(wǎng)格節(jié)點以提高網(wǎng)格質(zhì)量，使平均網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到0.5以上。網(wǎng)格生成和修復(fù)之后，便將網(wǎng)格輸出為.cfx格式，以進(jìn)行后續(xù)的CFD分析計算。圖2分別是對葉輪、蝸殼、進(jìn)口延長段、出口延長段進(jìn)行網(wǎng)格劃分及修復(fù)后的網(wǎng)格結(jié)果。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

將進(jìn)行網(wǎng)格劃分修復(fù)后的水力模型導(dǎo)入CFX中，進(jìn)行計算域的設(shè)置，選擇計算域的流體類型為Water，葉輪計算域為Rotating狀態(tài)，設(shè)置Angular Velocity為990 r/min。選擇Fluid Models為湍流模型中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[8]，并指定入口邊界條件Total Pressure（stable）為1atm，出口邊界條件Mass Flow Rate為對應(yīng)工況點的質(zhì)量流量值，湍流能動系數(shù)使用中度湍流密度Medium（Intensity=5%），分別對設(shè)計點3000 m3/h、1800 m3/h、2200 m3/h、3600 m3/h四種的工況點進(jìn)行數(shù)值分析計算。

3 結(jié)果分析與試驗數(shù)據(jù)驗證

將數(shù)值計算結(jié)果形象直觀地展示是流動分析后處理的主要工作。ANSYS CFX自身具備強大的后處理功能及可視化技術(shù)，能夠顯示各物理參數(shù)的云圖、等值線圖、速度矢量圖、流動軌跡圖等，同時還能計算揚程、轉(zhuǎn)矩、力矩及對應(yīng)的力矩系數(shù)、流量等，并能生成簡要的計算報告。

圖3分別為1800 m3/h、2200 m3/h、3000 m3/h、3600 m3/h四種工況點的速度流線分布圖。從圖中可以看出，在小流量點的流線不穩(wěn)定，存在速度渦旋，水流在旋轉(zhuǎn)過程中存在不確定沖擊，在設(shè)計點及附近工況點流線變化穩(wěn)定且較流暢，能降低因碰撞而帶來的能量損失。

圖3 速度流線分布圖

流量從1800 m3/h增長到3600 m3/h的過程中，葉輪內(nèi)部流速從進(jìn)口延長段交界處向蝸殼交接處，由低向高逐漸增大，變化規(guī)律相同且速度不存在劇烈變化。蝸殼流速在小流量點處，存在較大的變化，在設(shè)計點及附件工況點，流速分布均勻，在蝸殼隔舌處，出現(xiàn)速度變化不均勻點，表明水流在運轉(zhuǎn)過程中與壁面進(jìn)行碰撞，存在一部分的能量損失。進(jìn)口延長段的速度一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，出口延長段的速度變化主要是由蝸殼速度流線出口端變化規(guī)律影響。

圖4為設(shè)計點3000 m3/h葉輪的速度云圖。圖4（a）為XY剖面的速度云圖，葉輪為逆時針旋轉(zhuǎn)，葉片工作面前端的速度較小，由內(nèi)向外速度依次環(huán)形增大，符合葉片前端小渦流存在的特性，圖4（b）為YZ剖面的速度云圖，由中心向兩側(cè)速度均勻增大，前側(cè)速度明顯大于后側(cè)速度。圖5為設(shè)計點3000 m3/h蝸殼XY剖面的速度云圖，速度由葉輪交界面向外減小，在隔舌處速度值偏小，說明有渦流的存在，蝸殼內(nèi)部速度不均勻處同樣也存在小渦流。

圖4 葉輪速度云圖

圖5 蝸殼速度云圖（XY剖面）

經(jīng)過CFX分析[9-11]，獲得水力模型葉輪、蝸殼、進(jìn)口延長段、出口延長段這4部分的壓強變化值和葉輪內(nèi)部的轉(zhuǎn)矩值，通過泵的揚程公式（1）和效率公式（2），計算得到4種工況點的揚程值H和效率值η。

為驗證所采用的數(shù)值分析方法的正確性，將水力模型在合肥凱泉電動機電泵有限公司進(jìn)行了樣機的生產(chǎn)加工和試驗測試。在公司潛水電泵試驗中心對樣機進(jìn)行不同流量點的揚程和效率測試，取1800 m3/h、2200 m3/h、3000 m3/h、3600 m3/h四種工況點的試驗結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果得到的揚程值和效率值進(jìn)行比較分析。

圖6對比了揚程和效率的數(shù)值分析結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)結(jié)果。從圖6（a）中可以看出，1800 m3/h工況點的數(shù)值分析結(jié)果揚程值為29.21 m，試驗數(shù)據(jù)結(jié)果為28.6 4m，差值為-0.57 m。2200 m3/h工況點的數(shù)值分析結(jié)果揚程值為26.18 m，試驗數(shù)據(jù)結(jié)果為25.96 m，差值為-0.22 m。3000 m3/h工況點的數(shù)值分析結(jié)果揚程值為23.84 m，試驗數(shù)據(jù)結(jié)果為23.67 m，差值為-0.17 m。3600 m3/h工況點的數(shù)值分析結(jié)果揚程值為18.54 m，試驗數(shù)據(jù)結(jié)果為17.7 m，差值為-0.84 m。揚程值的試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值分析變化趨勢相同，且均低于數(shù)值分析，是由于在生產(chǎn)加工及測試的環(huán)節(jié)中導(dǎo)致的，差值都在誤差允許的3%內(nèi)，為合理值。在設(shè)計點3000 m3/h試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值分析結(jié)果幾乎一致，證明了數(shù)值分析計算的正確性和可靠性。

從圖6（b）中可以看出，1800 m3/h工況點的數(shù)值分析結(jié)果效率值為80.12%，試驗數(shù)據(jù)結(jié)果為77.95%，差值為-2.17%；2200 m3/h工況點的數(shù)值分析結(jié)果揚程值為83.03%，試驗數(shù)據(jù)結(jié)果為81.08%，差值為-1.95%；3000 m3/h工況點的數(shù)值分析結(jié)果揚程值為85.16%，試驗數(shù)據(jù)結(jié)果為81.99%，差值為-3.17%；3600 m3/h工況點的數(shù)值分析結(jié)果揚程值為83.89%，試驗數(shù)據(jù)結(jié)果為80.02%，差值為-3.87%。分析的效率值與試驗值得變化規(guī)律存在一致性，分析值高于試驗值，差值在4%內(nèi)，同樣證明數(shù)值分析計算具有良好的參考性。

圖6 數(shù)值分析與試驗數(shù)據(jù)對比圖

4 結(jié)語

本文主要為WQ2520 -6110 -500 型號潛水排污泵的CFD分析和試驗測試，通過建立三維水力模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分和CFX計算，得到水力模型內(nèi)部的壓強值和轉(zhuǎn)矩值，從而計算得到水力模型的揚程值和效率值，并與試驗測試結(jié)果進(jìn)行對比，驗證數(shù)值分析計算的正確性。