入口來流對離心泵內(nèi)部流動的影響

摘要：為研究入口來流對離心泵內(nèi)部流動的影響，選取某型號離心泵作為研究對象，通過在泵入口布置直管和4種不同入流方向（0°，90°，180°，270°）的三通管，設(shè)計了5種離心泵的入口來流方案.采用SST k-ω湍流模型，通過數(shù)值計算方法對離心泵內(nèi)部流動進(jìn)行模擬和分析，研究不同入流管道對泵內(nèi)部流動的影響.結(jié)果表明：不同入口來流角度對離心泵內(nèi)部流動特性具有顯著影響，入口來流的擾動導(dǎo)致葉輪內(nèi)的分離渦分布沿三通管轉(zhuǎn)動方向發(fā)生變化，同時，葉輪所承受的徑向力大小和方向也發(fā)生變化；不同進(jìn)口管道類型對泵的性能和效率有一定影響，在90°三通管工況下，對平衡葉輪徑向力最有利.研究結(jié)果對理解不同入口來流對離心泵內(nèi)部流動不穩(wěn)定性的影響機(jī)制具有重要意義，有助于解決因入流不均勻引起的流動振動問題，并進(jìn)一步為流動控制策略和設(shè)計優(yōu)化方法提供參考.

關(guān)鍵詞：離心泵；非均勻來流；入口管道布置；流動特性；數(shù)值計算

中圖分類號：S277.9；TH311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-8530（2024）09-0881-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0167

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Influence of inflows on internal flow stability of a centrifugal pump

ZHANG Hongtao¹， TIAN Chenbiao²， LONG Yun^2*

（1. Development Department， State Power Investment Corporation， Beijing 100010， China；2. National Research Center of Pumps， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China）

Abstract： To investigate the effect of inflow on the internal flow of a centrifugal pump， a specific mo-del of centrifugal pump was selected as the research object. Five inflow schemes were designed by arranging a straight pipe and four different inflow directions （0°， 90°， 180°， 270°） by using a tee at the pump inlet. Numerical calculation methods were used to simulate and analyze the internal flow of the centrifugal pump， thereby exploring the effects of different inlet pipelines on the pump′s internal flow was studied by using the SST k-ω turbulence model. The results indicate that different inflow angles have a significant effect on the internal flow characteristics of the centrifugal pump. The disturbance of inflow causes the distribution of secondary flows and separation vortices within the impeller to change along the rotation direction of the tee. Additionally， the magnitude and direction of the radial force experienced by the impeller also change. The results show that the 90° tee is most favorable for balancing the radial force on the impeller. By analyzing the head characteristic curves and efficiency characteris-tic curves， it is found that different inlet pipeline types have a certain impact on the performance and efficiency of the pump. This study is of great significance for understanding the effect mechanism of different inflows on the instability of internal flow in centrifugal pumps. It contributes to addressing flow-induced vibration issues caused by uneven inflow and provides further support for flow control strategies and design optimization methods.

Key words： centrifugal pump；non-uniform inflow；inflow pipe layout；flow characteristics;numerical calculation

泵是一種通用機(jī)械設(shè)備，可將原動機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體能量，從而增加液體的位能、壓能和動能.泵的種類繁多，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、市政、水利、化工、能源等國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域^[1].根據(jù)通用機(jī)械工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，泵類產(chǎn)品每年的耗電量約占全國總用電量的15%^[2]，而且這一比例還在逐年上升.

離心泵由于其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，成為目前應(yīng)用最廣泛的泵型之一.隨著離心泵應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，要求流體輸送在更寬廣的流量范圍內(nèi)安全穩(wěn)定地運(yùn)行^[3-5].例如，各大流域的沿河抽水工程要求泵站必須根據(jù)用戶實(shí)時需求進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，這就要求離心泵能夠適應(yīng)常態(tài)化偏離設(shè)計工況運(yùn)行.離心泵通?；诜€(wěn)定且沿周向均勻分布的入流條件，依據(jù)葉柵理論進(jìn)行設(shè)計^[6].然而，實(shí)際應(yīng)用中存在許多因素，如偏離設(shè)計工況、前置彎頭、泵進(jìn)口泥沙沉積以及管路布置、閥后管道突擴(kuò)等^[7]，常導(dǎo)致非均勻入流.非均勻入流將引發(fā)各葉片進(jìn)口流體的相對液流角與葉片安放角不匹配，致使各葉片沖角不一致，進(jìn)而誘發(fā)流動分離和不穩(wěn)定流動，特別在低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵中，其狹長流道進(jìn)一步加劇了不穩(wěn)定流動，形成葉道渦，引發(fā)旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象.這不僅對離心泵的性能產(chǎn)生不利影響，還會導(dǎo)致壓力脈動、激振力和噪聲甚至可能引發(fā)葉片疲勞斷裂^[8].

CHENG等^[9]研究表明，泵進(jìn)口流量不均勻性對泵的效率和運(yùn)行穩(wěn)定性具有影響.LONG等^[10-12]、LU 等^[13-14]、CAO等^[15-16]分別應(yīng)用計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)比較分析了均勻和非均勻入流條件下泵的性能，指出非均勻入流會導(dǎo)致泵性能下降以及葉冠附近的集中分離渦是導(dǎo)致泵揚(yáng)程下降的主要因素.FENG等^[17]通過數(shù)值模擬研究了非均勻入流下離心泵的失速渦團(tuán)，失速渦團(tuán)分布不均勻且和葉輪產(chǎn)生相對運(yùn)動，導(dǎo)致葉輪徑向力發(fā)生顯著變化.SONG等^[18-19] 采用激光多普勒測速技術(shù)（LDV）與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了非均勻入流對反應(yīng)堆冷卻泵性能的影響，結(jié)果表明非均勻入流導(dǎo)致泵內(nèi)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的湍流和不均勻的流速分布.YUAN等^[20]采用大渦模擬方法研究了在均勻和非均勻彎頭流動條件下離心泵性能的變化，發(fā)現(xiàn)在非均勻入流條件下，葉輪通道內(nèi)產(chǎn)生了非穩(wěn)態(tài)流動激勵，在葉片的吸力面和葉輪與殼體之間的界面上出現(xiàn)了高熵產(chǎn)生區(qū)域.LI等^[21]研究了非均勻入流對反應(yīng)堆冷卻泵液壓性能的影響，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在葉輪進(jìn)口處存在明顯的旋渦，葉輪流道內(nèi)渦的生成和演化呈現(xiàn)較強(qiáng)的非均勻性，進(jìn)一步加劇了泵內(nèi)壓力脈動并增大了葉輪的負(fù)荷.劉振等^[22]研究了不同導(dǎo)葉位置下蝸殼進(jìn)口來流條件變化，分析了導(dǎo)葉位置對蝸殼來流的影響，表明不同導(dǎo)葉位置下離心泵揚(yáng)程和效率有較大差異.

解決離心泵內(nèi)部流動的不穩(wěn)定性是設(shè)計和應(yīng)用離心泵的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是離心泵在全流量工況下高效運(yùn)行的主要途徑之一.穩(wěn)定的內(nèi)部流動可以確保泵具有優(yōu)良的性能和較高的效率，同時也有助于提高泵的運(yùn)行可靠性.深入研究離心泵內(nèi)部流動的不穩(wěn)定機(jī)理對于抑制或減弱流動失穩(wěn)、改善水動力性能以及探索新的水力設(shè)計方法至關(guān)重要.

因此，文中采用數(shù)值計算方法對不同入口（直管、不同轉(zhuǎn)向三通管）的離心泵內(nèi)部流動特性進(jìn)行研究，分析不同入口來流對泵揚(yáng)程和效率的影響，從而為離心泵入流控制和水動力優(yōu)化提供一定的理論依據(jù).

1 數(shù)值計算

1.1 計算模型

選取某型號離心泵為研究對象，該泵主要設(shè)計性能參數(shù)分別為流量Q_d=55 m³/h，揚(yáng)程H=22 m，轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min.使用商業(yè)CFturbo軟件對離心泵的葉輪和蝸殼進(jìn)行多參數(shù)建模，帶直管和三通管的離心泵模型如圖1所示，計算域主要包括入口段（直管或三通管）、葉輪、泵殼與出口段.模型葉輪的進(jìn)口直徑為80 mm，出口直徑為100 mm，輪轂直徑為45 mm，葉片數(shù)為 6.

1.2 網(wǎng)格劃分

對離心泵模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中葉輪采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，入口段、泵殼與出口段采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖2所示.共劃分387萬個網(wǎng)格單元，葉輪、蝸殼、直管、出口段的網(wǎng)格單元數(shù)分別為139萬、170萬、46萬、32萬.

1.3 邊界條件設(shè)置

應(yīng)用計算流體動力學(xué)軟件ANSYS CFX 2021 R1對離心泵內(nèi)部流場進(jìn)行計算，湍流模型采用SST k-ω模型^[23].

計算介質(zhì)設(shè)置為水，溫度25 ℃，密度997 kg/m³，動力黏度為8.899×10^-4 kg/（m·s）.進(jìn)口邊界條件采用質(zhì)量流量進(jìn)口，壁面邊界條件采用無滑移壁面.葉輪計算域設(shè)置為轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，葉輪葉片設(shè)置為轉(zhuǎn)動，進(jìn)口段和泵殼設(shè)置為靜止.轉(zhuǎn)動部件和靜止部件交界面設(shè)置為Frozen Rotor.對離心泵入口來流三通管角度為0°，90°，180°，270°工況點(diǎn)進(jìn)行計算.

2 離心泵內(nèi)部流動

離心泵通常按均勻入流進(jìn)行設(shè)計，認(rèn)為泵是在直管入流下運(yùn)行.但在實(shí)際應(yīng)用中，泵入口常連接彎管或三通管，入口來流為非均勻流動.為了全面分析入口來流對離心泵內(nèi)部流動及其性能的影響，文中選擇在設(shè)計工況下對不同入口來流進(jìn)行計算.

2.1 整泵內(nèi)部流動

圖3為直管、0°三通管、90°三通管、180°三通管、270°三通管工況下的三維流線圖，可以看出：泵殼隔舌處對應(yīng)的葉輪內(nèi)流線呈現(xiàn)明顯的二次流，其形態(tài)和分布存在明顯差異；直管來流時，各葉片內(nèi)均存在二次流分離渦，雖然蝸殼對各葉輪流道內(nèi)分離渦的尺度產(chǎn)生影響，但各流道內(nèi)分離渦尺度略不對稱；入口為三通管入流時，旁通管帶來的入流改變了各流道葉片入口流場的差異，造成各流道內(nèi)二次流分布明顯不對稱，各流道內(nèi)二次流分離渦的尺度差異較大；針對三通管入流方式，隨著三通管角度變化，入口來流的擾動導(dǎo)致葉輪內(nèi)二次流分離渦分布沿著三通管轉(zhuǎn)動的方向改變.

2.2 葉輪徑向力分析

為研究不同安裝角度的三通管入口來流對葉輪所受徑向力的影響，對不同安裝角度以及直管的5種工況進(jìn)行數(shù)值計算，葉輪徑向力大小及其x和y方向分量大小如表1所示.

由表1可以看出：各工況的徑向力并不為0，甚至直管下也不為0；在90°三通管工況下，徑向力方向幾乎與x軸重合，故90°三通管布局方式對平衡徑向力最有利.

2.3 葉輪入口截面速度分布

圖4為選取的葉輪入口截面（藍(lán)色部分）位置示意圖，入口截面速度云圖如圖5所示.

由圖5可以看出，直管式入口來流最為均勻， 0°，90°，180°和270°的三通管工況分別在第4象限、第1象限、第2象限、第3象限存在低速區(qū)，其中270°三通管在第2，3象限低速區(qū)尤其明顯.

2.4 不同入口來流對泵內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)的影響

由上已知，在不同三通管安裝角度下，泵入口來流不均勻，存在低速區(qū)，對泵內(nèi)部流場造成一定影響.研究表明，離心泵在入口來流不均勻的工況下容易發(fā)生失穩(wěn).MANISH等^[24]研究表明，旋轉(zhuǎn)失速和不對稱失速等擴(kuò)散器中的流動不穩(wěn)定性更容易發(fā)生在低速流動時.

為描述速度的方向，建立極坐標(biāo)系，設(shè)定由圓心沿徑向方向?yàn)樗俣鹊恼较颍貜较蛑赶驁A心的方向?yàn)樗俣鹊呢?fù)方向.圖6為葉輪中心平面徑向速度分布，同時對葉輪流道進(jìn)行分區(qū)，靠近渦舌的流道設(shè)定為流道1，順時針命名各流道為1—6.

由圖6可以看出：在直管布置時，葉輪流道內(nèi)的徑向速度分布較為均勻，在流道1，2，3內(nèi)存在微弱的低速區(qū)；在0°，90°，180°，270°三通管布置時，葉輪流道內(nèi)的徑向速度分布不對稱，并且存在較為明顯的大尺度低速區(qū)現(xiàn)象，且低速區(qū)位置隨著三通管安裝角度呈順時針偏轉(zhuǎn)；0°三通管布置時，流道2，3內(nèi)存在低速區(qū)；90°三通管布置時，流道4，5內(nèi)存在低速區(qū)；180°三通管布置時，流道5，6內(nèi)存在低速區(qū)；270°三通管布置時，流道1，2內(nèi)存在低速區(qū)，但尺度較小，這與葉輪入口截面速度分布相吻合.

2.5 速度與流線分布

圖7為選取的中心軸截面位置示意圖.

中心軸截面處泵殼與葉輪速度與流線分布如圖8所示.

由圖8可以看出：在直管工況下，各葉輪流道內(nèi)均呈現(xiàn)了明顯且相對均勻的二次流，泵殼內(nèi)存在低速區(qū)，可能會產(chǎn)生大尺度二次流渦團(tuán)；在0°三通管工況下，流道2，3，4內(nèi)流線分布已經(jīng)受到擾動，二次流的尺度稍微減小，并且流道2的二次流被適當(dāng)抑制.這種擾動伴隨著入口工況的不同呈不同的分布規(guī)律，如流道2內(nèi)出現(xiàn)2個低速區(qū)，貼附在流道的2個葉片上.

90°三通管的二次流尺度相對較小，其中流道3，4內(nèi)的二次流相對弱化更為明顯.180°和270°三通管時分別在流道4，5以及5，6內(nèi)二次流受到來流影響擾動較為明顯.

不同流道的二次流不穩(wěn)定現(xiàn)象隨著三通管位置的不同也隨之發(fā)生變化，且變化規(guī)律沿順時針改變.此外，出現(xiàn)二次流擾動的流道與入口截面速度云圖所出現(xiàn)的低速區(qū)位置有關(guān)，這說明葉輪入口來流會導(dǎo)致相應(yīng)的流道發(fā)生流動擾動，從而誘導(dǎo)葉輪內(nèi)流動不穩(wěn)定.

2.6 葉輪葉片通道回轉(zhuǎn)面流線分布

流線均勻程度和平滑程度是離心泵內(nèi)部穩(wěn)定性的重要體現(xiàn)，圖9為展向Span=0.5處葉輪葉片通道回轉(zhuǎn)面流線圖，可以看出：在直管工況下，各葉輪流道內(nèi)二次流渦結(jié)構(gòu)分布均勻，渦團(tuán)尺度大小受蝸殼流向速度分布影響較大，在渦舌即蝸殼起始位置的渦結(jié)構(gòu)尺度較大；改為三通管布置后，流道內(nèi)二次流渦團(tuán)的均勻性被擾動破壞，部分流道二次流增強(qiáng)或削弱；在90°三通管時，葉輪內(nèi)的低速渦團(tuán)削弱最為明顯，部分流道內(nèi)流線更加光滑，表明此時離心泵內(nèi)部流動穩(wěn)定.

2.7 入口來流對泵外特性的影響

圖10為不同進(jìn)口管道時的離心泵揚(yáng)程曲線，可以看出：不同進(jìn)口管道時離心泵揚(yáng)程曲線趨勢基本一致，但也存在一定差別，這表明進(jìn)口管道對離心泵性能有一定的影響，且影響主要集中在離心泵小流量工況；在大流量工況下，不同進(jìn)口管道時離心泵的揚(yáng)程相差不大；在小流量工況（0.6Q_d～0.9Q_d）下， 270°三通管時離心泵揚(yáng)程最高，0°三通管時離心泵揚(yáng)程最低.

圖11為不同進(jìn)口管道時的離心泵效率曲線，可以看出：不同進(jìn)口管道時離心泵效率曲線趨勢基本一致，表明不同進(jìn)口管道對離心泵效率影響較小，且直管效率最高；三通管在偏大流量工況下入口來流對效率的影響不大，效率曲線基本重合；在小流量工況下，270°三通管時離心泵效率較高.

總體上，進(jìn)口管道類型對泵的揚(yáng)程和效率都有一定的影響.

3 結(jié) 論

1） 不同入口來流角度對離心泵內(nèi)部流動產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致離心泵葉輪所承受徑向力的大小以及方向發(fā)生變化，其中90°三通管時對平衡葉輪徑向力最有利.

2） 不同進(jìn)口管道對泵的揚(yáng)程和效率均產(chǎn)生一定影響.在小流量工況下，270°三通管時的泵揚(yáng)程和效率較高.在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同的工程需求選擇合適的進(jìn)口管道布置方式，以優(yōu)化泵的性能和穩(wěn)定性.

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（責(zé)任編輯 陳建華）