离心泵内部空化特性的数值模拟与试验研究

胡锦蘅，余　波，刘　彬，李文浩

(西华大学 能源与动力工程学院，成都 610039)



离心泵内部空化特性的数值模拟与试验研究

胡锦蘅，余波*，刘彬，李文浩

(西华大学 能源与动力工程学院，成都 610039)

摘要：以一台典型的清水式离心泵为研究对象，采用数值模拟和试验研究的方法，对3种不同流量工况下的离心泵内部空化特性进行了对比分析。结果表明：数值模拟与试验结果存在一定差异，具体表现为小流量区比较吻合，大流量区差异较大；临界汽蚀余量时，离心泵空化已经很严重，通过数值模拟发现，初生空化发生在临界汽蚀余量之前很长一段时间。因此后续应针对该泵展开初生空化研究。

关键词：离心泵；数值模拟；空化特性；临界汽蚀余量

0引言

空化现象是流体流动过程中局部压力低于饱和蒸汽压力以下时出现的空泡生成、长大、溃破现象，空化的发生会破坏离心泵内流动的连续性，导致泵的扬程下降，引起轴系振动、噪声，致使泵效率降低等特性变化，严重时会导致整个系统无法工作[1-2]。为了降低空化空蚀对离心泵造成的危害，对离心泵内部空化性能的研究一直是国内外研究的热点和难点，众多学者在试验研究和数值模拟方面进行了大量的工作[3-8]。

在前人研究的基础上，选取了3种不同的流量工况，分别利用CFD软件[9]和泵阀试验平台，对一台典型的清水式离心泵进行了空化数值模拟和空化试验研究，分析离心泵内部的空化性能，发现结果存在一定的差异。

1研究对象

本文研究的对象是IS100-80-125型清水式离心泵，其基本参数见表1。

表1　离心泵参数

根据表1相关参数，利用三维建模软件UG对该离心泵进行三维全流道建模，考虑到实际连接情况，进、出口管道直径为100 mm，因此在三维建模时，分别将进、出口管道的长度延长了200 mm，最终的三维模型见图1。将离心泵三维模型导入专用网格生成器ICEMCFD中进行网格划分，得到适应性较好的非结构化网格见图2。

图1　离心泵三维模型Fig.1　3D model of centrifugal pump

图2　计算网格Fig.2　Computing mesh

2研究方法

2.1空化数值模拟

本次空化数值模拟采用基于交错网格的SIMPLE算法实现对速度和压力之间的耦合；应用有限体积法离散控制方程；对流项采用二阶迎风离散格式，扩散项采用中心差分格式；近壁区域流动通过标准壁面函数法描述；多相流模型选用Mixture模型，空化模型采用Schnerr-Sauer 模型，使用RNG k-ε湍流模型封闭方程组[10]。

模拟时，边界条件选用速度进口(velocity-inlet)和压力出口(pressure-outlet) ，采用试验所测得的大气压值以及水的饱和蒸汽压力值作为离心泵空化数值模拟所对应的大气压值及其水的饱和蒸汽压力值。在计算过程中，每个流量工况，均保持速度进口不变(确保流量恒定)，逐渐改变出口压力值，最后计算各个工况下的汽蚀余量和扬程值，绘制出离心泵的汽蚀余量-扬程曲线，3种流量工况分别为：80、92、100 m3/h。

2.2空化试验

2.2.1试验原理

由于装置的汽蚀余量随装置的变化而变化，因此可通过改变吸入装置来改变汽蚀余量。本次空化试验采用改变离心泵进出口阀门开度两个调节参数而使流量保持不变的方法进行试验，即先改变泵进口阀门的开度以改变吸入管路的阻力，使汽蚀余量改变，同时为了保持流量不变，还须调节出口阀门的开度。

2.2.2试验方法

本次试验是在泵阀试验台上进行，该试验台主要实现泵汽蚀试验，设备包括水池、管道、离心泵、水环式真空泵、电机，试验台实物图见图3。

图3　试验台实物图Fig.3　Physical figure of test bench

试验选取100、92、80 m3/h 3种流量工况，通过控制离心泵进出口阀门的开度，使流量计读数保持不变，离心泵逐渐发生空化。从空化初生到加剧的过程中，用相关试验仪器测量并记录多组大气压、水温、离心泵进出口压力、转速、转矩等试验数据，将试验数据代入相关公式，计算每种工况下的扬程值和汽蚀余量值，最后绘制出汽蚀余量-扬程曲线[11]。

图4　汽蚀余量-扬程性能曲线(模拟)Fig.4　NPSH-head curve(simulation)

3结果与分析

通过本次空化数值模拟，得到3种流量工况下，汽蚀余量和扬程之间的关系，见图4。空化初生时和临界汽蚀余量时汽泡在叶片表面的分布图，见图5、图6。

由图4可见，3个流量工况下都表现出相同的变化趋势，即扬程随着汽蚀余量的减小而减小，也即随着空化逐渐严重，离心泵扬程先保持不变，而后出现拐点，急剧下降。这是由于随着汽蚀余量逐渐减小，离心泵已经发生了空化，但此时汽蚀余量值仍然大于临界汽蚀余量，离心泵的扬程没有发生变化；当汽蚀余量继续减小，小于临界汽蚀余量后，离心泵空化加剧，产生了大量的气泡，堵塞了流道，导致了离心泵的性能下降。

由图5可见，此时离心泵的叶片上只有轻微的汽蚀，可认为此时离心泵刚好发生初生空化；而图6则表明，当离心泵处于临界空化状态时，叶片表面汽蚀很严重，导致离心泵的扬程开始下降，说明离心泵处于临界汽蚀余量时，其内部空化已经相当严重。

图5　3个工况下，空化初生时汽泡在叶片表面的分布Fig.5　When cavitation inception, bubble distribution in the blade surface, in the 3 conditions

图6　3个工况下，临界汽蚀余量时汽泡在叶片表面的分布Fig.6　When critical NPSH, bubble distribution in the blade surface, in the 3 conditions

利用泵阀试验平台，根据3种工况下测得的各项参数计算绘制出的汽蚀余量-扬程曲线见图7。由图7可见，试验得到的汽蚀余量-扬程曲线同模拟得到的曲线具有相同的变化规律。

临界汽蚀余量由在流量不变的条件下，扬程开始下降3%时所对应的汽蚀余量值来确定。通过计算，模拟和试验的临界汽蚀余量曲线见图8。

由图8可见，两条曲线都是临界汽蚀余量随着流量的增加而逐渐增加，但试验曲线较平缓，模拟曲线较陡峭。从理论分析来看，两条曲线应该大致保持平行，并且试验得到的临界汽蚀余量值应该大于模拟得到的临界汽蚀余量值，在小流量时两者符合且数值很接近，而在大流量时试验值反而小于模拟值，出现了较大的差异。

图7　汽蚀余量-扬程曲线(试验)Fig.7　NPSH-head curve(experiment)

图8　临界汽蚀余量曲线Fig.8　Flow-critical NPSH curve

4结论

1)通过对比分析，模拟得出的临界汽蚀余量与试验得出的临界汽蚀余量具有相同的变化规律，但两种方法下的临界汽蚀余量值之间却存在着一定的差异，具体表现为在小流量区时比较吻合，但在大流量区时差异较大。

2)在临界汽蚀余量之前，初生空化已经发生。当离心泵处于初生空化到临界汽蚀余量状态之间时，虽然其性能未发生改变，但内部空化已经相当严重。而通过数值模拟还可见，初生空化发生在临界汽蚀余量之前很长一段时间，因此后续应针对该离心泵展开初生空化研究。

参考文献：

[1]关醒凡. 现代泵理论与设计[M]. 北京:中国宇航出版社,2011.

[2]吴玉林,刘娟,陈铁军,等. 叶片泵设计与实例[M]. 北京:机械工业出版社,2011.

[3]王福霞,赵丽,付显威,等. 空化初生研究综述[J]. 中国石油大学胜利学院学报,2006,20(3):3-6.

[4]刘厚林,刘东喜,王勇,等. 泵空化流数值计算研究现状及展望[J]. 流体机械,2011,39(9):38-44.

[5]刘宜,张文军,杜杰. 离心泵内部空化流动的数值预测[J]. 排灌机械,2008,26(3):19-21.

[6]谭磊,曹树良,桂绍波,等. 带有前置导叶离心泵空化性能的试验及数值模拟[J]. 机械工程学报,2010,46(18):177-182.

[7]苏永生,王永生,段向阳. 离心泵空化试验研究[J]. 农业机械学报,2010,41(3):77-80.

[8]典平鸽. 低比转速离心泵空化性能的数值模拟[J]. 水利水电科技进展,2011,31(6):32-34.

[9]卿彪，余波，陈凌平，等.CFD在调压室设计计算中的可行性研究[J].黑龙江大学工程学报，2015，6(2)：7-12.

[10] 薛瑞,张淼,许战军,等. 对不同空化模型的比较研究[J]. 西北水电,2014,33(2):85-89.

[11] 李文浩，余波，胡锦蘅，等.基于小波奇异性变换理论的离心泵空化分析[J].黑龙江大学工程学报，2015，6(4)：78-82.

Numerical simulation and experimental research of centrifugal pump cavitation characteristics

HU Jin-Heng，YU Bo*，LIU Bin，LI Wen-Hao

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039,China)

Abstract：A water centrifugal pump is taken as the object of the research, with the methods of numerical simulation and experimental researchs, centrifugal pump cavitation performance of 3 flow conditions is compared and analyzed. The result shows: there are some differences between numerical simulation and experimental results, the differences of low flow area are less than the large flow area;When is the critical NPSH, centrifugal pump cavitation is highly serious, and the initial cavitation took place in a long time before the critical NPSH. Therefore, initial cavitation research should be expanded for the pump in the future.

Key words：centrifugal pump; numerical simulation; cavitation characteristic;critical NPSH

DOI:10.13524/j.2095-008x.2016.01.016

收稿日期：2015-06-24;

修订日期：2015-07-22

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51379179)

作者简介：胡锦蘅(1991-)，男，四川射洪人，硕士研究生，研究方向:水利水电工程及自动化、计算监控和仿真技术,E-mail：361686333@163.com;通讯作者：余波(1965-)，男，四川西昌人，教授，硕士研究生导师，研究方向:水利水电工程及自动化、计算监控和仿真技术等,E-mail：yubo@163.com。

中图分类号：Tp11

文献标志码：A

文章编号：2095-008X(2016)01-0087-05

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1566.T.20160218.1458.006.html