農(nóng)用離心泵內(nèi)流體流動(dòng)特性模擬

王玫,宋志遠(yuǎn)

農(nóng)用離心泵內(nèi)流體流動(dòng)特性模擬

王玫,宋志遠(yuǎn)*

桂林理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 廣西 桂林 541004

本文基于CFD仿真技術(shù)對(duì)不同轉(zhuǎn)速和進(jìn)口流體流速下的泵內(nèi)流體流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。模擬所采用的網(wǎng)格大小對(duì)結(jié)果影響較小，并且模擬結(jié)果獲得了實(shí)際值的驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速和流速下，在葉片旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下葉片附近的流體速度較大，當(dāng)流到出口附近時(shí)速度減小。由于泵內(nèi)流體的流動(dòng)靠葉片的帶動(dòng)，轉(zhuǎn)速對(duì)泵內(nèi)的流體流動(dòng)影響明顯大于入口流速的影響。在進(jìn)行離心泵的選型和操作條件設(shè)置時(shí)，離心泵的轉(zhuǎn)速要適中，這樣不會(huì)因?yàn)榱黧w碰撞避免引起能量損耗。而且入口的流速也要適中，減少葉片離心泵的能耗同時(shí)提高效率。本文的研究結(jié)果可為離心泵的設(shè)計(jì)和使用提供一定的指導(dǎo)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水目標(biāo)的實(shí)施。

離心泵; 流體力學(xué); 流動(dòng)模擬

農(nóng)業(yè)是各國發(fā)展的基礎(chǔ)，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化和現(xiàn)代化水平與歐美發(fā)達(dá)國家相比較低。農(nóng)作物的生產(chǎn)需要水資源，如何保證水資源高效利用的同時(shí)增加作物的產(chǎn)量的質(zhì)量是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要的水量較高，是全國用水總量的50%～55%左右，這就要求有強(qiáng)大的水利灌溉系統(tǒng)，但是我國的農(nóng)用地灌溉用水有效利用率僅為0.52～0.55，嚴(yán)重匹配不上農(nóng)業(yè)的用水的需求量。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中如何節(jié)水的同時(shí)保證作物產(chǎn)量，以及建立完善的灌溉系統(tǒng)和提高灌溉質(zhì)量成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重心。與傳統(tǒng)的水泵灌溉方式相比，小型灌溉裝置具有更大的優(yōu)勢(shì)。離心泵灌溉時(shí)的操作方便，可以適應(yīng)不同灌溉需求，保證節(jié)水量和用水率。研究離心泵在使用中，其內(nèi)的流體流動(dòng)規(guī)律以及不同操作條件對(duì)其流動(dòng)影響對(duì)提高泵的使用效率尤為重要。通過針對(duì)性研究提高離心泵的效率，并將其應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，將提高用水效率和灌溉系統(tǒng)的總體效率。此外，有助于實(shí)現(xiàn)國家節(jié)水規(guī)劃目標(biāo)，同時(shí)發(fā)展高效經(jīng)濟(jì)的灌溉技術(shù)有利于節(jié)約不可再生資源。

離心泵內(nèi)的流體流動(dòng)呈現(xiàn)一種非定常狀態(tài)，規(guī)律較為復(fù)雜，而研究其內(nèi)部的流動(dòng)特性有助于離心泵的設(shè)計(jì)和操作條件選用，可以提高泵的工作效率和降低泵的能耗。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，憑借便捷高效的優(yōu)勢(shì)，基于流體仿真軟件的離心泵模擬成為國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究熱點(diǎn)。Singh VK等[1]綜述了利用CFD模擬不同工況下的泵性能預(yù)測(cè)、參數(shù)化研究、空化分析、擴(kuò)壓泵分析、泵在渦輪模式下運(yùn)行的性能等方面的研究工作，認(rèn)為CFD仿真技術(shù)是提升泵效率的一種有效研究方法。Al-Obaidi AR等[2]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究了不同泵轉(zhuǎn)速下的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和對(duì)一臺(tái)離心泵性能的影響。結(jié)果表明當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)靠近舌部區(qū)域時(shí),該區(qū)域的壓力高于其他區(qū)域。離心泵內(nèi)部的壓力和速度變化隨葉輪轉(zhuǎn)速的增大而增大。Markus H等[3]利用CFD雙流體3D模型離心泵內(nèi)含氣液體流動(dòng)規(guī)律，研究結(jié)果表明高氣含率不利于泵的運(yùn)行。Rosa HMP等[4]利用CFD模擬離心泵中葉片數(shù)變化對(duì)泵內(nèi)流體流動(dòng)規(guī)律的影響。有研究者利用CFD-DEM研究了泵內(nèi)氣固兩相流動(dòng)規(guī)律，離心泵在使用中會(huì)吸入一定量的固體[5-8]，因此研究固體對(duì)泵性能的影響至關(guān)重要。研究者通過CFD模擬的方法研究了離心泵內(nèi)的流體流場，根據(jù)流場規(guī)律進(jìn)行了泵的設(shè)計(jì)[9-12]。還有研究者利用CFD技術(shù)詳細(xì)研究了泵內(nèi)的不穩(wěn)定流動(dòng)規(guī)律，為離心泵的啟動(dòng)和使用提供了一定的指導(dǎo)[13-17]。CFD模擬技術(shù)已經(jīng)在離心泵的理論和設(shè)計(jì)研究中已經(jīng)有著較多的研究成果，但是目前的研究中較少對(duì)泵的操作條件對(duì)泵工作狀態(tài)影響進(jìn)行全面的分析。本文采用CFD軟件模擬不同轉(zhuǎn)速和流速下離心泵內(nèi)的流體流動(dòng)規(guī)律，比較泵不同位置處的流體流動(dòng)特征，探究不同使用條件下泵內(nèi)流體的流場影響規(guī)律。本文的研究結(jié)果可為農(nóng)用離心泵的選型和使用提供指導(dǎo)。

1 建模方程及結(jié)構(gòu)

1.1 模型方程

離心泵在進(jìn)行工作時(shí)，其內(nèi)部的流體流動(dòng)的雷諾數(shù)Re達(dá)到了4000以上，所以在進(jìn)行流體流動(dòng)模擬時(shí)需要用-湍流模型。同時(shí)離心泵里面一般都是水，可將其視為連續(xù)、穩(wěn)定、不可壓縮牛頓流體。因此，需要對(duì)泵內(nèi)的流體建立連續(xù)性方程、動(dòng)能方程、湍流能量耗散方程和湍流能量耗散率方程，根據(jù)模型方程對(duì)泵內(nèi)流體的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，具體的方程如下所示：

1.1.1 連續(xù)性方程

1.1.2 動(dòng)量方程

1.1.3 湍流能量耗散方程和能量耗散率方程

1.2 離心泵結(jié)構(gòu)和模擬方法

本文模擬的離心泵為農(nóng)業(yè)中常用的種類，具體尺寸為：導(dǎo)葉直徑為112 mm，168 mm。葉輪數(shù)量為5個(gè)，具體的離心泵結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用的網(wǎng)格劃分方法是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，由于葉輪處流體流動(dòng)較為復(fù)雜，因此在葉輪部分進(jìn)行了網(wǎng)格加密，使用動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算葉輪處的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。模擬時(shí)采用的流體是水，進(jìn)口流速分別為1.44 m·s-1、1.81 m·s-1和2.17 m·s-1，轉(zhuǎn)速分別為900 rpm、1200 rpm、1500 rpm。模擬計(jì)算時(shí)采用的邊界條件和初始條件如表1所示。圖中P1-P5為離心泵中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置。本文模擬采用的邊界條件是：速度入口、壓力出口（P表壓=0）、壁面處采用無滑移邊界。

圖 1 離心泵模型

2 結(jié)果與分析

2.1 網(wǎng)格大小對(duì)模擬結(jié)果的影響

在CFD模擬中網(wǎng)格的大小關(guān)乎計(jì)算的準(zhǔn)確性，因此本文畫了3個(gè)大小不同的計(jì)算網(wǎng)格對(duì)離心泵為流體流動(dòng)進(jìn)行模擬研究。各種網(wǎng)格尺寸大小下，離心泵的效率和揚(yáng)程如表1所示。由表2可見，不網(wǎng)格大小模擬效率和揚(yáng)程大小基本一致，而且與實(shí)測(cè)值離心泵的基本參數(shù)保持一致。因此，模擬過程采用的模型準(zhǔn)確，可很好地反映離心泵內(nèi)的流體流動(dòng)，同時(shí)網(wǎng)格尺寸對(duì)模擬結(jié)果影響較小。后文的模擬中采用的網(wǎng)格尺寸為導(dǎo)葉部分1 mm，葉輪部分2 mm。

表 1 不同網(wǎng)格大小計(jì)算結(jié)果

2.2 轉(zhuǎn)速對(duì)離心泵內(nèi)流體流動(dòng)影響

圖2所示的是不同轉(zhuǎn)速下離心泵內(nèi)的壓力分布。由圖可見葉片處由于高速旋轉(zhuǎn)，壓力較低，利于將液體吸入泵中，每個(gè)葉片的后側(cè)壓力要小于前側(cè)壓力。流體經(jīng)過葉片之后進(jìn)入泵殼之后壓力有所增加，轉(zhuǎn)速越大泵殼中的流體壓力越大，這主要是由于轉(zhuǎn)速越高，提供給流體的能量越大。當(dāng)流體到達(dá)出口附近時(shí)壓力快速降低，主要是通道的面積增加。

圖 2不同轉(zhuǎn)速下離心泵內(nèi)的壓力分布

圖3所示的是不同轉(zhuǎn)速下離心泵內(nèi)的速度分布。由圖可見，入口處流速較小，經(jīng)過葉片的旋轉(zhuǎn)加速，流體的速度有所增加，而且葉片后側(cè)的流速要大于前側(cè)，主要是由于葉片的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)作用引起的。流體進(jìn)入泵殼之后流速逐漸增加，葉片的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下，出口的上部流速較大。

圖 3 不同轉(zhuǎn)速下離心泵內(nèi)的速度分布

圖4所示的是不同轉(zhuǎn)速下離心泵內(nèi)的速度矢量分布。由于葉片旋轉(zhuǎn)形成的低壓區(qū)，流體被吸入泵中，在葉片高速旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)下，泵轉(zhuǎn)速越大葉片周圍的流體速度越大。流體離開葉片去進(jìn)入泵殼中，沿著泵殼的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)入出口位置，最終沿著出口管路離開泵。

圖 4 不同轉(zhuǎn)速下離心泵內(nèi)的速度矢量分布

圖5所示的是離心泵中多個(gè)特殊位置處的壓力大小比較。由圖可見，從監(jiān)測(cè)點(diǎn)p1到p5泵內(nèi)的壓力先增大后減小。因?yàn)閜1點(diǎn)最靠近葉片的旋轉(zhuǎn)區(qū)，因此壓力較小。隨著流體往出口方向流動(dòng)，流道面積越來越大，因此泵內(nèi)的壓力逐漸減小。泵轉(zhuǎn)速越大泵內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的壓力越大，主要是轉(zhuǎn)速大使監(jiān)測(cè)點(diǎn)處流體流量大。

圖 5 離心泵特殊位置處壓力大小比較

圖6所示的是離心泵中多個(gè)特殊位置處的速度大小比較。由圖可見，除了轉(zhuǎn)速為900 rpm以外，其他兩個(gè)轉(zhuǎn)速條件下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)p1到p5的流體速度逐漸增加，這主要是在葉片的作用下，泵內(nèi)流體逐漸被加速。而在低轉(zhuǎn)速下，泵內(nèi)葉片的加速能力有限，導(dǎo)致距離葉片最近的位置p1處的速度最大。同時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下，泵出口附近的流體速度相差較小。因此在使用離心泵給農(nóng)田灌溉的時(shí)候要選擇適中的泵轉(zhuǎn)速，這樣既可以保證一定的灌溉速度，同時(shí)也可減少泵的能耗。

圖 6 離心泵特殊位置處速度大小比較

2.3 流速對(duì)離心泵內(nèi)流體流動(dòng)影響

圖7所示的是不同流速下離心泵內(nèi)的壓力分布。由圖可見，不同的入口流速下，葉片附近的壓力差異較小，主要是因?yàn)榱魉傩t流體流量小，相同的轉(zhuǎn)速下，葉片帶動(dòng)流體流動(dòng)的能力越強(qiáng)，而流速較大時(shí)流體流量大，葉片帶動(dòng)流體流動(dòng)需要更多的能量。因此，葉片附近的壓力基本相同。隨著流體往泵的出口流動(dòng)，大流速下泵出口處流體流速較大，泵內(nèi)出口處的壓力較小。

圖 7 不同流速下離心泵內(nèi)的壓力分布

圖8所示的是不同流速下離心泵內(nèi)的速度分布。由圖可見，不同的入口流速下，葉片附近的流體速度差異較小，主要是因?yàn)榱魉傩t流體流量小，相同的轉(zhuǎn)速下，葉片帶動(dòng)流體流動(dòng)的能力越強(qiáng)，而流速較大時(shí)流體流量大，葉片帶動(dòng)流體流動(dòng)需要更多的能量。因此，葉片附近的流體速度基本相同。隨著流體往泵的出口流動(dòng)，由于流速大造成的流量大使泵出口處流體的速度變大。

圖 8 不同流速下離心泵內(nèi)的速度分布

圖9所示的是不同流速下離心泵內(nèi)的速度矢量分布。不同入口流速下，泵的轉(zhuǎn)速一致，葉片附近的流體沿著葉片進(jìn)入泵殼。由于葉片的旋轉(zhuǎn)作用，使得流體在泵出口管路的上方聚集，沿著管路上部離開泵，此時(shí)會(huì)有一定的流體能量損耗。因此，在選擇入口流速時(shí)，需要選在適中值，避免出現(xiàn)大量流體碰撞泵壁而增加能耗。

圖 9 不同流速下離心泵內(nèi)的速度矢量分布

圖10所示的是離心泵中多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的壓力大小比較。由圖可見，從監(jiān)測(cè)點(diǎn)p1到p5泵內(nèi)的壓力先增大后減小。因?yàn)閜1點(diǎn)最靠近葉片的旋轉(zhuǎn)區(qū)，因此壓力較小。隨著流體往出口方向流動(dòng)，流道面積越來越大，因此泵內(nèi)的壓力逐漸減小。不同流速下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)p2-p4的壓力差異較小，僅在p1和p5處的壓力差異較大。

圖 10 離心泵監(jiān)測(cè)點(diǎn)處壓力大小比較

圖11所示的是離心泵中多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的速度大小比較。由圖可見，除了入口流速為2.17 m/s以外，其他兩個(gè)流速條件下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)p1到p5的流體速度逐漸增加，這主要是在葉片的作用下，泵內(nèi)流體逐漸被加速。而在高入口流速下，泵流體量大，距離葉片最近的位置p1處的速度最大。同時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下，泵出扣附近的流體速度相差較大。因此在使用離心泵給農(nóng)田灌溉的時(shí)候要選擇適中的入口流速，這樣既可以保證一定的灌溉速度，同時(shí)也可減少泵的能耗。

圖 11 離心泵監(jiān)測(cè)點(diǎn)處速度大小比較

3 結(jié) 論

本文利用CFD軟件對(duì)農(nóng)用離心泵內(nèi)的流體流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)每個(gè)葉片的后側(cè)壓力要小于前側(cè)壓力，流體經(jīng)過葉片之后進(jìn)入泵殼之后壓力有所增加，轉(zhuǎn)速越大泵殼中的流體壓力越大，當(dāng)流體到達(dá)出口附近時(shí)壓力快速降低。入口處流速較小，經(jīng)過葉片的旋轉(zhuǎn)加速，流體的速度有所增加，而且葉片后側(cè)的流速要大于前側(cè)，主要是由于葉片的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)作用引起的。流體進(jìn)入泵殼之后流速逐漸增加，葉片的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下，出口的上部流速較大。隨著流體遠(yuǎn)離葉片流體速度逐漸增加，不同轉(zhuǎn)速下泵出口附近的流體速度相差較小。使用離心泵給農(nóng)田灌溉的時(shí)候要選擇適中的泵轉(zhuǎn)速，這樣既可以保證一定的灌溉速度，同時(shí)也可減少泵的能耗。不同的入口流速下，葉片附近的流體速度差異較小。隨著流體往泵的出口流動(dòng)，由于流速大造成的流量大使泵出口處流體的速度變大。不同轉(zhuǎn)速下，泵出扣附近的流體速度相差較大。因此在使用離心泵給農(nóng)田灌溉的時(shí)候要選擇適中的入口流速，這樣既可以保證一定的灌溉速度，同時(shí)也可減少泵的能耗。

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Simulation of Fluid Flow Characteristics in Agricultural Centrifugal Pump

WANG Mei, SONG Zhi-yuan*

541000,

In this paper, CFD simulation technology is used to study the flow law of the pump under different rotational speeds and inlet flow rates. The mesh size used in the simulation has little influence on the results, and the simulation results are verified by the actual values. It is found that under different rotational speeds and flow rates, the fluid velocity near the blade is larger when driven by blade rotation, and decreases when it flows near the outlet. Because the fluid flow in the pump is driven by the blade, the influence of rotational speed on the fluid flow in the pump is obviously greater than that of the inlet velocity. When selecting the centrifugal pump and setting the operating conditions, the speed of the centrifugal pump should be moderate, so as not to avoid energy loss caused by fluid collision. And the inlet flow rate should be moderate, reduce the energy consumption of the blade centrifugal pump and improve efficiency. The results of this study can provide some guidance for the design and use of centrifugal pumps and promote the implementation of agricultural irrigation water saving goals.

Centrifugal pump; flow characteristics; flow simulation

S277.9

A

1000-2324(2022)03-0484-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.03.022

2022-03-24

2022-05-17

國家自然科學(xué)基金(62071135);廣西科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展專項(xiàng))(桂科AB17292058)

王玫(1963-),女,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向是音視頻信息感知與處理. E-mail:404128515@qq.com

Author for correspondence. E-mail:songzywangm@163.com