自吸式旋涡泵内流场数值模拟与试验研究

2020-09-23窦立波朱玉兰陆纪根居杰王友宏

机械工程师 2020年9期

窦立波, 朱玉兰, 陆纪根, 居杰, 王友宏

（江苏亚梅泵业集团有限公司，江苏靖江214500）

0 引言

自吸式旋涡泵是一种广泛应用于石化、航空业、农业和市政工程等领域的通用机械产品，具有扬程高、流量小、结构简单、质量轻、体积小和能自吸等特点，其水力性能特征介乎于普通离心泵和容积泵之间，具有良好的稳定性和可靠性[1]。自吸式旋涡泵主要由叶轮、泵体、气水分离室、电磁阀和进、出口管等组成，其中叶轮、泵体和储水箱是影响其性能的核心关键水力部件，其叶轮分为开式叶轮和闭式叶轮2类，其泵体流道可分为开式流道、闭式流道和半开式流道3种。目前常用的自吸式旋涡泵结构主要采用闭式叶轮和开式流道的结构型式，其具有较好的自吸性能和效率，适用于工业、农业等领域。在以往的研究中，主要采用经验设计和试验方法进行自吸式旋涡泵产品的设计，对于旋涡泵内流场分布和泵体流道内部增压规律缺少量化研究，近几年来，国内外学者利用CFD(Computational Fluid Dynamics)数值仿真技术对旋涡泵进行了研究，取得了一定的进展[2]。

沙毅、唐涛等[3-4]采用经验设计和试验方法开展了自吸式旋涡泵的效率分析、水力设计与试验研究，分析了闭式旋涡泵的水力设计模型和方法，并通过模型试验进行了验证，对于叶轮和泵体模型的设计优化提供了理论和试验基础。朱祖超、王乐勤等[5-6]开展了小流量、高扬程旋涡泵的设计理论与试验方法研究，建立了小流量旋涡泵的水力模型设计理论，并进行了试验验证研究，为后续的特种旋涡泵产品开发提供了参考。施卫东等[7]采用CFD数值模拟方法研究了不同流道截面形状对于其性能影响的规律，并对于旋涡泵内流场的分布特征进行了比较研究。刘志超等[8]采用CFD非定常数值模拟方法研究了旋涡泵叶片结构和分布对于其内部压力脉动和能量分布的影响，分析了叶片分布对于旋涡泵噪声和振动特性的影响规律，并总结了旋涡泵的优化设计方法。本文以某工业用自吸式旋涡泵产品为目标，开展数值模拟和试验验证研究，分析了自吸式旋涡泵的水力性能和内部流场分布规律，为后续的水力模型改进设计提供有效参考。

1 设计参数和三维模型

以某公司的工业用自吸式旋涡泵为研究对象，其主要设计参数为：设计工况点的流量Q0= 8 m3/h，扬程H0=24 m，转速n=1450 r/min。其叶轮采用闭式叶轮，叶轮叶片数为80，泵体流道采用开式流道结构，泵体流道型式为环形流道。采用三维造型软件建造获得的自吸式旋涡泵内部流场三维模型（如图1），其主要包括进口管、出口管、气水分离室、叶轮和泵体流道等部分，为了增强模型的稳定性，三维模型的进口管和出口管进行了一定的延伸[9]。

2 数值模型

2.1 模型网格划分

根据图1可知，自吸式旋涡泵的内流场三维模型形状较为复杂，为了减少数值模拟的计算工作量和准确捕捉其内部流动特征，采用混合网格结构对该内流场三维模型进行网格划分。利用专业网格软件ICEM进行该模型的网格划分，其进口管、出口管和叶轮部分采用结构化六面体网格结构，气水分离室和泵体流道等部分采用适应性较强的非结构化四面体网格结构，同时在叶轮和泵体流道交界区域进行了网格局部加密处理。网格无关性分析后，确定该网格模型节点总数约为121万，此时的计算误差相对很小，最终确定模型参数如表1所示[10]，网格模型如图2所示。

图1 自吸式旋涡泵内流场三维模型

表1 网格模型参数

2.2 模型算法和边界

按照以往的研究文献和模型分析方法，采用RNG k-ε湍流模型对自吸式旋涡泵三维流场模型进行求解，叶轮旋转区域采用多重参考系（MRF）方法进行求解，进口管的进口边界采用无旋的速度进口条件，出口管的出口边界条件采用压力出口条件，模型所有动、静壁面采用无滑移条件[11]。对流项和扩散项分别采用二阶迎风差分和中心差分格式，收敛残差值为10-4，最终确定数值模型算法和边界条件如表2所示。

为准确了解流体介质在泵体流道内的静压变化过程，沿着泵体流道内的流体流动方向，分别选择如图3所示的A、B、C、D、E共5个过流断面作为监测截面，对泵体流道内部的流体静压增加过程进行监测和描述。

图2 自吸式旋涡泵网格划分

3 结果分析

3.1 水力性能验证

按照上述自吸式旋涡泵模型的技术参数，通过其数值模型计算的工况点包括0.1Q0、0.5Q0、1.0Q0（设计工况点）和1.5Q0共4个工况点，同时按照JB/T 7743-2011《旋涡泵》和GB 3216-2005《回转动力泵水力性能验收试验》标准要求开展了自吸式旋涡泵的水力性能试验，并对其水力性能试验结果进行了分析。通过对数值模拟和试验结果进行对比分析，获得自吸式旋涡泵的数值模拟和水力性能试验的扬程曲线对比，如图4所示。

表2 模型算法和边界条件

图3 泵体流道监测截面

图4 扬程曲线对比

从图4可知，自吸式旋涡泵的扬程随着流量的增大而近似呈线性降低，数值模拟结果与试验结果趋势一致，其中数值模拟结果与试验结果在1.0Q0流量（设计工况点）附近时的相对误差最小，随着流量的增大和减小，其相对误差逐渐增大。经过计算可知，在设计工况点，数值模拟和试验结果的扬程相对误差约为3%，显示了该数值模型计算的准确性。

3.2 泵体流道内部静压分析

随着旋涡泵叶轮叶片的高速旋转，泵体流道内会产生周期性的冲击、涡旋和剪切流动等现象，流体在旋涡泵泵体流道内不断增压，旋涡泵内部流体流动属于非常复杂的三维空间湍流状态，通过常规分析方法难以研究其内部流动规律。为了分析自吸式旋涡泵泵体流道内的流体静压增压过程和静压分布规律，根据上述数值模型计算结果，沿着流体流动方向，对图3所示的泵体流道监测截面A、B、C、D、E进行了静压分析，各监测截面在不同工况点下的静压曲线如图5所示（为便于分析，设定监测截面A的静压值为零）。

图5 监测截面（过流断面）静压曲线

从图5可知，不同工况点条件下，泵体流道内部沿着流动方向的流体静压变化曲线基本一致，其总体近似呈线性增长，从泵体流道的进口监测截面A开始，流体静压逐渐增大至泵体流道的出口监测截面E。从图5的静压曲线变化特征可知，在泵体流道的进口和出口附近，即流体从监测截面A→B和监测截面D→E的流动过程中，其静压增长相对较为平缓，而流体从监测截面B→D的流动过程中，其静压增长相对较快。

根据上述结果可知，流体在泵体流道内部的静压分布规律基本一致，其总体近似呈线性增长。通过详细分析发现，相比较而言，流体在泵体流道的进、出口附近增长速率相对较低，其在泵体流道中间段（监测截面B→D）增长速率相对较高，该现象反映了泵体流道内部流动状态的变化趋势。