輸送不同物性介質(zhì)微型離心泵性能研究

趙子涵，邵春雷

（南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 211816）

離心泵被廣泛應(yīng)用于石油、化工等領(lǐng)域［1-2］。隨著科技的不斷進(jìn)步，離心泵逐漸朝著微型化發(fā)展，并在微化工系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，對(duì)推動(dòng)微化工技術(shù)的發(fā)展起到積極作用［3］。當(dāng)微型離心泵輸送的物性介質(zhì)不同時(shí)，其性能也會(huì)隨之發(fā)生改變，從而影響整個(gè)微反應(yīng)過程。因此，有必要對(duì)輸送不同物性介質(zhì)時(shí)微型離心泵的性能進(jìn)行研究。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微型離心泵內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)數(shù)值研究。楊帆等［4］對(duì)超小型離心泵的內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，得到了其內(nèi)部流動(dòng)的主要特征。高文濤［5］采用Fluent軟件對(duì)2個(gè)幾何尺寸相似的微型泵的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，研究表明，RNG k-ε湍流模型可以較準(zhǔn)確地模擬微型泵的內(nèi)部流動(dòng)。LI K等［6］采用SST k-ε湍流模型對(duì)微型離心泵中的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并采用能量梯度法對(duì)設(shè)計(jì)工況和2個(gè)非設(shè)計(jì)工況下的流動(dòng)進(jìn)行了分析，詳細(xì)研究了葉片附近區(qū)域和葉輪通道的內(nèi)部流動(dòng)。馬棟棋等［7］采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型對(duì)微型離心泵進(jìn)行了三維湍流數(shù)值模擬，分析了葉輪中間截面的速度矢量圖及微型離心泵中間截面壓力云圖，揭示了其內(nèi)部流動(dòng)的主要特征。周進(jìn)等［8］采用Fluent軟件對(duì)全流場(chǎng)和非全流場(chǎng)超低比轉(zhuǎn)速微型離心泵模型進(jìn)行數(shù)值模擬，在對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上分析誤差原因，研究了泵腔和口環(huán)對(duì)超低比轉(zhuǎn)速微型離心泵模擬誤差的影響。也有學(xué)者對(duì)微型離心泵開展了試驗(yàn)研究［9-11］、空化研究［12-14］以及結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究［15-17］等。 雖然前人采用多種手段，從多方面對(duì)微型離心泵開展了相關(guān)研究，但是由于泵結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及輸送介質(zhì)的多樣性，離心泵內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理至今尚未完全被掌握，仍有待進(jìn)一步研究。

標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型、RNG k-ε模型和 SST k-ω模型均可用于微型離心泵內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬，相較于標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型、RNG k-ε模型，SST k-ω模型應(yīng)用更加廣泛，既有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε模型的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又考慮了湍流剪切應(yīng)力，還不會(huì)過度預(yù)測(cè)渦黏系數(shù)。因此，本文選用SST k-ω模型，采用數(shù)值模擬方法分別對(duì)輸送水和甘油時(shí)微型離心泵的內(nèi)部流動(dòng)性能進(jìn)行研究，分析了微型離心泵蝸殼內(nèi)的非定常流動(dòng)，探討了輸送不同物性介質(zhì)時(shí)蝸殼截面壓力和速度隨葉片-蝸殼夾角的變化規(guī)律，并對(duì)輸送水時(shí)微型離心泵的外特性和內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)，研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步改進(jìn)微型離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及提高泵運(yùn)行性能具有重要意義。

1 微型離心泵內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬方法

本文所研究的微型離心泵葉輪直徑47 mm，進(jìn)口管直徑15 mm，出口管直徑20 mm。定義葉輪圓心與蝸舌頂端連線和葉輪圓心與葉片尾端連線的夾角為葉片-蝸舌夾角α，葉輪運(yùn)動(dòng)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，定義逆時(shí)針方向?yàn)檎?dāng)2條連線重合時(shí)，α為0°。在微型離心泵蝸殼第Ⅰ～第Ⅷ截面上設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)這些位置上的壓力、速度等參數(shù)。微型離心泵蝸殼截面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置見圖1，所設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)見表1。

圖1 微型離心泵蝸殼截面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示圖

表1 微型離心泵蝸殼截面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo) mm

采用ICEM軟件對(duì)微型離心泵進(jìn)行網(wǎng)格劃分，微型離心泵的進(jìn)口段和出口段采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉輪和蝸殼部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并進(jìn)行局部加密，微型離心泵計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格見圖2。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)從875 455增加到1 612 943時(shí)，微型離心泵的外特性幾乎沒有變化，因此選用875 455網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖2 微型離心泵計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格

微型離心泵輸送的介質(zhì)分別為水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的甘油，其中水的黏度為0.001 Pa·s、密度為998 kg/m3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 40%的甘油黏度為0.004 Pa·s、密度為 1 055 kg/m3。 由于模擬介質(zhì)均可當(dāng)作不可壓縮流體，輸送介質(zhì)的入口速度在斷面上均勻分布且徑向速度和切向速度均為0，因此采用速度進(jìn)口邊界條件。假定微型離心泵輸送的流體在出口處的流動(dòng)已經(jīng)充分發(fā)展，出口采用出口自由流邊界條件。壁面采用無(wú)滑移邊界條件，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。為了獲得更快的收斂速度，將定常求解的結(jié)果作為非定常解的初始條件。非定常計(jì)算中的微型離心泵時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為7.246×10-5s，即微型離心泵葉輪旋轉(zhuǎn)1°所需要的時(shí)間。

2 微型離心泵蝸殼內(nèi)定常流動(dòng)分析

為研究微型離心泵分別輸送甘油和水時(shí)蝸殼內(nèi)非定常流動(dòng)，首先應(yīng)對(duì)蝸殼內(nèi)定常流動(dòng)進(jìn)行分析。對(duì)額定工況（轉(zhuǎn)速n=2 300 r/min，體積流量qV=0.3 m3/h）下的微型離心泵進(jìn)行定常數(shù)值模擬，得到了微型離心泵分別輸送甘油和水時(shí)蝸殼內(nèi)的速度和壓力分布云圖，分別見圖3和圖4。

圖3 額定工況下輸送甘油時(shí)微型離心泵蝸殼內(nèi)速度和壓力分布云圖

圖4 額定工況下輸送水時(shí)微型離心泵蝸殼內(nèi)速度和壓力分布云圖

由圖3a可知，輸送甘油時(shí)微型離心泵蝸殼螺旋段存在多個(gè)高速區(qū)，蝸舌至擴(kuò)散段中的流線較為雜亂，產(chǎn)生了明顯的流動(dòng)分離和回流現(xiàn)象。這是因?yàn)榱黧w經(jīng)葉輪流入蝸殼的流速較大，從而在蝸殼螺旋段產(chǎn)生多個(gè)高速區(qū)。蝸殼截面半徑在第Ⅷ截面處時(shí)突然增大，經(jīng)葉輪流出的流體不易因蝸殼的作用變成周向運(yùn)動(dòng)，流體流動(dòng)不平穩(wěn)，從而產(chǎn)生回流和流動(dòng)分離現(xiàn)象。由圖3b可知，蝸殼內(nèi)部壓力分布規(guī)律與蝸殼內(nèi)部速度分布規(guī)律相吻合，蝸殼螺旋段壓力普遍較高，蝸殼內(nèi)部高速區(qū)域的壓力相對(duì)較低，蝸殼第Ⅷ截面處壓力最低。這是因?yàn)槲仛?nèi)流體速度越高，壓力越低，蝸殼高速區(qū)域流體速度較高，壓力相對(duì)較低。蝸殼第Ⅷ截面靠近蝸舌，受回流和流動(dòng)分離現(xiàn)象影響，壓力最低。

由圖4a可知，輸送水時(shí)微型離心泵蝸殼螺旋段的高速區(qū)域大于輸送甘油時(shí)的高速區(qū)域，擴(kuò)散段的低速區(qū)域也大于輸送甘油時(shí)的低速區(qū)域，且蝸殼擴(kuò)散段的回流和流動(dòng)分離現(xiàn)象更加明顯。這是由于水的黏度比甘油的低，水經(jīng)葉輪流入蝸殼時(shí)的速度相對(duì)較高，高速區(qū)域相對(duì)較大。經(jīng)葉輪流出的水更不容易變?yōu)橹芟蜻\(yùn)動(dòng)，流動(dòng)更加不平穩(wěn)，并且水之間的黏性力較小，蝸殼擴(kuò)散段右側(cè)的周向運(yùn)動(dòng)流體帶動(dòng)作用也更弱，擴(kuò)散段的回流和流動(dòng)分離現(xiàn)象更加顯著，低速區(qū)域也更大。由圖4b可知，輸送水時(shí)微型離心泵的高速區(qū)域壓力相對(duì)于輸送甘油時(shí)更低，低速區(qū)的壓力更高。這是由于輸送水時(shí)微型離心泵的速度高于輸送甘油時(shí)的速度，速度越大，壓力越高。低速區(qū)域回流和流動(dòng)分離現(xiàn)象嚴(yán)重，速度較低，壓力較高。

3 輸送不同物性介質(zhì)時(shí)蝸殼截面壓力隨葉片-蝸舌夾角的變化

3.1 不同截面

對(duì)額定工況下輸送甘油和水的微型離心泵進(jìn)行非定常數(shù)值模擬。輸送甘油和水時(shí)微型離心泵蝸殼各截面壓力p隨葉片-蝸舌夾角α的變化情況見圖5，其中第Ⅷ截面數(shù)據(jù)采用監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm8-5的數(shù)據(jù)。

由圖5可以看出，輸送甘油和輸送水時(shí)微型離心泵蝸殼各截面的壓力變化趨勢(shì)相同，但是壓力不同，監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm1～vm6的壓力均略微下降，監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm7壓力略微上升，監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm8-5壓力上升明顯。這是由于水的黏度比甘油的黏度低，水經(jīng)葉輪流出時(shí)的速度要大于甘油的速度，速度越高，壓力越低。并且水經(jīng)葉輪流出后在蝸殼擴(kuò)散段更不易進(jìn)行周向運(yùn)動(dòng)，回流和流動(dòng)分離現(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)第Ⅷ截面監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的流動(dòng)影響較大，使得此處速度較低，壓力較大。在第Ⅵ截面前，輸送水時(shí)微型離心泵蝸殼內(nèi)部壓力比輸送甘油時(shí)的低。在第Ⅵ截面后，輸送水時(shí)微型離心泵蝸殼內(nèi)部壓力比輸送甘油時(shí)的高。

圖5 輸送甘油和水時(shí)微型離心泵蝸殼各截面壓力隨α變化情況

由圖5還可以看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm1在α=15°時(shí)壓力最低，在α=49°時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力均處在極值。這是由于α=15°時(shí)，葉片正好經(jīng)過監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm1所在截面，壓力最低。當(dāng)α=49°時(shí)，葉片開始靠近蝸舌部位，對(duì)蝸舌處復(fù)雜的流動(dòng)產(chǎn)生影響，引起各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化。

3.2 第Ⅷ截面

微型離心泵分別輸送甘油和水時(shí)蝸殼第Ⅷ截面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力隨葉片-蝸舌夾角α的變化情況見圖6。

由圖6可以看出，輸送水時(shí)微型離心泵蝸殼第Ⅷ截面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力相較于輸送甘油時(shí)的壓力明顯上升，但是壓力隨α的波動(dòng)趨勢(shì)幾乎沒有變化，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力在α=49°時(shí)達(dá)到最小值，監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm8-1的壓力在α=30°左右時(shí)也較小。這是由于甘油的黏度大于水，輸送甘油時(shí)微型離心泵所受的摩擦損失也大于輸送水時(shí)所受的摩擦損失，因此微型離心泵輸送水時(shí)的壓力要大于輸送甘油時(shí)的壓力。在α=49°時(shí)，微型離心泵的葉片開始靠近蝸舌部位，葉輪內(nèi)的流體進(jìn)入蝸舌部位時(shí)受葉片的阻擋，對(duì)蝸舌部位的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)蝸殼第Ⅷ截面區(qū)域產(chǎn)生影響，使其壓力最低。在α=30°左右時(shí)，葉片恰好經(jīng)過蝸殼第Ⅷ截面，監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm8-1靠近葉輪，受到的葉輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)作用減弱，此處壓力較低。

圖6 輸送甘油和水時(shí)微型離心泵蝸殼第Ⅷ截面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力隨α變化情況

4 輸送不同物性介質(zhì)時(shí)蝸殼截面速度隨葉片-蝸舌夾角的變化

4.1 不同截面

輸送甘油和水時(shí)微型離心泵蝸殼各截面速度v隨葉片-蝸舌夾角α的變化情況見圖7，其中第Ⅷ截面數(shù)據(jù)采用監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm8-5的數(shù)據(jù)。

由圖7可以看出，不論微型離心泵輸送何種介質(zhì)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm1～vm3的速度波動(dòng)幅度均較大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm4～vm7的速度波動(dòng)幅度均較小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm8-5的速度波動(dòng)幅度也較大。輸送水時(shí)微型離心泵蝸殼內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度相較于輸送甘油時(shí)的速度明顯上升，這是由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm1～vm3所在蝸殼截面面積較小，蝸殼壁面靠近葉輪出口，監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度波動(dòng)幅度較大。當(dāng)流體經(jīng)過第Ⅷ截面后，蝸殼截面面積突然增大，蝸殼擴(kuò)散段產(chǎn)生回流和流動(dòng)分離現(xiàn)象，對(duì)蝸殼第Ⅷ截面處的流動(dòng)產(chǎn)生影響，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm8-5的速度波動(dòng)幅度也產(chǎn)生影響。微型離心泵輸送甘油時(shí)的黏性損失大于輸送水時(shí)的黏性損失，故經(jīng)微型離心泵葉輪流出的水的速度大于甘油的速度。

圖7 輸送甘油和水時(shí)微型離心泵蝸殼各截面速度隨α變化情況

為研究監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm1速度變化規(guī)律，選擇監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的4個(gè)極值點(diǎn)繪制速度矢量圖，見圖8。由圖8可以看出，當(dāng)微型離心泵輸送甘油時(shí)，葉片由α=4°旋轉(zhuǎn)至α=15°，甘油流經(jīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm1的速度大小和方向發(fā)生改變。當(dāng)α=4°時(shí)，甘油流經(jīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm1速度較大且沿著蝸殼外壁面運(yùn)動(dòng)，后經(jīng)蝸殼作用，甘油速度方向轉(zhuǎn)為周向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)α=15°時(shí)，葉片尾端與監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm1所處截面垂直，且運(yùn)動(dòng)方向與葉片尾端平行，受蝸殼周向作用較小。當(dāng)葉片由α=15°旋轉(zhuǎn)至α=26°時(shí)，流經(jīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm1的甘油速度不斷增大，且受蝸殼周向作用變強(qiáng)。當(dāng)葉片由α=26°旋轉(zhuǎn)至α=33°時(shí)，對(duì)蝸殼附近產(chǎn)生沖擊的甘油不斷變多，蝸殼附近流動(dòng)變得更加復(fù)雜，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm1處的甘油速度產(chǎn)生影響。當(dāng)微型離心泵輸送的介質(zhì)為水時(shí)，也滿足上述規(guī)律，不同的是，當(dāng)葉片由α=26°旋轉(zhuǎn)至α=33°時(shí)，由于蝸舌附近的回流現(xiàn)象嚴(yán)重，水對(duì)蝸舌的沖擊較小，因此重新流入蝸殼內(nèi)的流體較多。上述分析也進(jìn)一步證明，監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在蝸殼截面的面積較小時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近流體受葉片的干擾作用和蝸殼周向作用，速度方向產(chǎn)生改變，監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度波動(dòng)幅度較大。

圖8 微型離心泵蝸殼第Ⅰ截面附近速度矢量分布情況

4.2 第Ⅷ截面

分別輸送水和甘油時(shí)微型離心泵蝸殼第Ⅷ截面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度隨葉片-蝸舌夾角α的變化情況見圖9。

由圖9可以看出，輸送水時(shí)微型離心泵蝸殼監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm8-2～vm8-9的速度相較于輸送甘油時(shí)的速度有所上升且監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm8-9速度明顯提高，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm8-1速度有所下降，雖然α在30°左右時(shí)速度都基本達(dá)到最小值但速度走勢(shì)有所不同。這是由于甘油的黏度比水的黏度大，微型離心泵輸送水時(shí)所受到的黏性損失較小，速度較高。監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm8-9靠近蝸殼壁面，輸送水時(shí)微型離心泵蝸殼壁面對(duì)流體的阻礙比輸送甘油時(shí)的明顯減小，且流體之間的黏性力也較小，因而速度明顯上升。監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm8-1靠近葉輪，輸送甘油時(shí)受到的葉輪帶動(dòng)作用較大，速度較高。

圖9 輸送甘油和水時(shí)微型離心泵蝸殼第Ⅷ截面速度隨α變化情況

4.3 蝸舌附近

蝸舌附近流動(dòng)較為復(fù)雜，且對(duì)蝸殼內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生影響。由前述分析可知，當(dāng)α=15°時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm1壓力最低；α=30°時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn) vm8-1速度最小；α=49°時(shí)，蝸殼第Ⅰ～第Ⅷ截面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力都達(dá)到極值。因此對(duì)α為15°、30°、49°時(shí)蝸舌附近流動(dòng)進(jìn)行研究，得到的蝸舌附近速度矢量分布情況見圖10。

圖10 微型離心泵蝸舌附近速度矢量分布情況

由圖10a可知，當(dāng)微型離心泵輸送甘油且α=15°時(shí)，經(jīng)葉輪流出的甘油先與蝸舌附近回流甘油產(chǎn)生沖擊，與蝸舌產(chǎn)生沖擊時(shí)的流體變少，葉片尾端流體流動(dòng)方向與第Ⅰ截面垂直，蝸殼周向作用較小，壓力較低。微型離心泵輸送水時(shí)也滿足此規(guī)律。

由圖10b可知，當(dāng)微型離心泵輸送水且α=30°時(shí)，葉片處在第Ⅷ截面處，水運(yùn)動(dòng)方向與第Ⅷ截面垂直，監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm8-1最靠近葉輪，壓力最小。微型離心泵輸送甘油時(shí)也滿足此規(guī)律。

由圖10c可知，當(dāng)微型離心泵輸送甘油且α=49°時(shí)，由于葉片的帶動(dòng)作用，葉片尾端甘油與蝸舌產(chǎn)生沖擊的流體變多，葉片尾端甘油速度方向發(fā)生改變，蝸舌附近區(qū)域流體流動(dòng)更加復(fù)雜。第Ⅰ截面和第Ⅱ截面的蝸殼周向作用明顯變強(qiáng)，壓力較高。第Ⅶ和Ⅷ截面處的流體沖擊損失較大，壓力較低。當(dāng)微型離心泵輸送水且α=49°時(shí)也滿足此規(guī)律，不同的是，因水的黏度比甘油小，流體之間的黏性力也較小，故速度的方向變化較小，產(chǎn)生的沖擊損失也較?。▓D10d）。

5 微型離心泵外特性及內(nèi)部流動(dòng)試驗(yàn)研究

5.1 外特性

微型離心泵外特性及可視化試驗(yàn)裝置由微型離心泵、動(dòng)力系統(tǒng)、水路系統(tǒng)及其他輔助裝置構(gòu)成，見圖11。

圖11 微型離心泵外特性及可視化試驗(yàn)裝置實(shí)物

考慮到微型離心泵的穩(wěn)定運(yùn)行及外特性試驗(yàn)裝置的精度，試驗(yàn)介質(zhì)選用水，在微型離心泵轉(zhuǎn)速n 分別為 1 800 r/min、2 300 r/min、2 800 r/min下進(jìn)行外特性試驗(yàn)，測(cè)量多種流量工況下微型離心泵的揚(yáng)程H，并與數(shù)值模擬值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖12。圖12中的qVr為微型離心泵的額定工作體積流量。

由圖12可知，不同流量工況下微型離心泵揚(yáng)程試驗(yàn)值均低于模擬值。這主要是由于試驗(yàn)中包含了水力損失、機(jī)械損失和容積損失，而數(shù)值模擬中只考慮了水力損失，未考慮機(jī)械損失，并且為了提高網(wǎng)格的質(zhì)量，對(duì)三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化時(shí)也忽略了容積損失。

分析圖12中的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到不同轉(zhuǎn)速下微型離心泵的揚(yáng)程最大誤差分別為 8.8%、8.1%和8.9%，這其中也包含因U型管壓差計(jì)和轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量精度所造成的誤差?？傮w來(lái)看，揚(yáng)程試驗(yàn)值和模擬值之間的誤差在可接受范圍之內(nèi)［18-19］，數(shù)值模擬可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)微型離心泵的外特性，數(shù)值模擬結(jié)果是正確的。

圖12 不同轉(zhuǎn)速下微型離心泵揚(yáng)程與體積流量關(guān)系對(duì)比

5.2 內(nèi)部流動(dòng)

試驗(yàn)中采用高速攝像機(jī)拍攝到的微型離心泵蝸殼內(nèi)示蹤粒子運(yùn)動(dòng)跡線見圖13。

圖13 試驗(yàn)拍攝的微型離心泵蝸殼內(nèi)示蹤粒子運(yùn)動(dòng)跡線

由圖13可知，由于蝸殼第Ⅷ截面面積突然增大，當(dāng)流體進(jìn)入蝸殼擴(kuò)散段時(shí)會(huì)發(fā)生回流，蝸殼擴(kuò)散段右側(cè)的流體沿周向運(yùn)動(dòng)，各示蹤粒子從起始位置運(yùn)動(dòng)至終止位置的時(shí)間相同，示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)跡線越長(zhǎng)代表速度越高，蝸殼擴(kuò)散段發(fā)生回流的流體速度較低，沿周向運(yùn)動(dòng)的流體速度較高。通過與模擬所得微型離心泵蝸殼內(nèi)示蹤粒子運(yùn)動(dòng)跡線（圖14）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)與模擬所得示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)跡線具有較好的一致性，蝸殼內(nèi)流體速度分布也較為相似。進(jìn)一步表明本文所采用的數(shù)值模擬方法是正確的，可以采用數(shù)值模擬代替試驗(yàn)進(jìn)行微型離心泵內(nèi)部流動(dòng)研究。

圖14 數(shù)值模擬所得微型離心泵蝸殼內(nèi)示蹤粒子運(yùn)動(dòng)跡線

6 結(jié)論

（1）微型離心泵蝸殼第Ⅷ截面突然增大對(duì)內(nèi)部流動(dòng)有一定影響。經(jīng)葉輪流出的流體不易因蝸殼的作用變成周向運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生回流和流動(dòng)分離現(xiàn)象。流體經(jīng)葉輪流入蝸殼的速度較大，從而在蝸殼螺旋段產(chǎn)生多個(gè)高速區(qū)。輸送水時(shí)微型離心泵蝸殼擴(kuò)散段的回流和流動(dòng)分離現(xiàn)象比輸送甘油時(shí)更明顯。

（2）微型離心泵輸送水和甘油時(shí)的流動(dòng)規(guī)律大致相同，但是由于水的黏度較低，流體之間的黏性力也較小，因此輸送水時(shí)微型離心泵蝸殼內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度要大于輸送甘油時(shí)的速度，對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度越大，壓力越低。不論微型離心泵輸送何種介質(zhì)，微型離心泵蝸殼截面在第Ⅷ截面處突然增大，對(duì)蝸殼內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力和速度均產(chǎn)生一定的影響。

（3）不論微型離心泵輸送何種介質(zhì)，當(dāng)α=15°時(shí)，葉片正好經(jīng)過監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm1所在截面，速度和壓力均達(dá)到最低值。當(dāng)α=30°時(shí)，葉片處在蝸殼第Ⅷ截面位置處，流體運(yùn)動(dòng)方向與第Ⅷ截面垂直，監(jiān)測(cè)點(diǎn)vm8-1最靠近葉輪，壓力最小。當(dāng)α=49°時(shí)，葉片開始靠近蝸舌部位，對(duì)蝸舌處復(fù)雜的流動(dòng)產(chǎn)生影響，從而引起各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力發(fā)生變化。

（4）試驗(yàn)和數(shù)值模擬所得微型離心泵的外特性誤差在10%以內(nèi)，試驗(yàn)和數(shù)值模擬所得流體的運(yùn)動(dòng)跡線基本一致，誤差在可接受范圍之內(nèi)，表明本文所采用的數(shù)值模擬方法是正確的，可以采用數(shù)值模擬的方法代替試驗(yàn)開展微型離心泵內(nèi)部流動(dòng)研究。