水力干扰对并联双泵性能影响数值模拟分析研究

冯磊，夏栓，陈丽，黄若涛，艾明

（上海核工程研究设计院有限公司，上海200233）

1 背景

泵的性能曲线一般是由制造商在出厂时根据标准规范要求，通过搭建试验台架进行测量而得的。国内泵出厂性能试验标准一般遵循GB/T3216-2016《回转动力泵水力性能验收试验1级、2级和3级》，其泵进口流场一般为均匀来流。泵在实际运行环境中受进口段结构尺寸的影响，进口来流可能为非均匀流动，并且在流体输送回路中会出现多台泵并联运行的情况，从而相互之间形成一定的水力干扰，其实际性能较出厂性能曲线会出现偏差。为预测离心泵在实际使用环境中真实的性能参数，可以借助流体力学仿真手段，对泵的实际运行环境进行水力模型建模，分析得到实际工况下泵的性能参数，从而对实际生产具有指导意义。本文设计了两种离心泵流体力学仿真模型，分别为：进口为均匀流动的单泵水力模型，以得到近似于离心泵出厂试验的性能数据；进口为非均匀流动、并联双泵水力模型，用来模拟泵的真实使用环境，并与单泵均匀来流的分析结果进行对比，以探寻进口为非均匀来流、双泵并联产生的水力干扰对泵性能参数产生的影响。

本文使用Simerics MP+软件进行流体力学计算分析。Simerics MP+是Simerics公司特别针对泵阀及其它旋转机械CFD数值模拟而开发的一款专业软件，具有丰富的泵阀模块，独特高效的网格生成模式和全空化模型，计算稳定快速，适用于旋转机械计算流体力学模拟分析。该软件已成功应用于诸多离心泵模拟分析案例中[1]，并且在泵阀、航天、汽车、船舶等领域有广泛的应用。

2 计算模型及设置

本文借鉴了某种成熟型号离心泵的设计尺寸及性能数据，按照1:1的结构比例建立了其水力模型。该原型泵在其额定工况下的运行参数详见表1。

表1 原型离心泵额定点运行参数

本文在完成该离心泵水力模型的基础上，分别建立了带进口充分发展段的均匀来流单泵模型以及进口为非规则结构的非均匀来流、双泵并联模型，以分析进口为非均匀来流及双泵并联情况带来的水力干扰对离心泵稳态性能的影响情况。

均匀来流单泵流体力学计算模型主要包括充分发展进口直管段、离心泵以及充分发展出口直管段；非均匀来流双泵并联流体力学计算模型主要包括非规则型容器、两台并联离心泵以及充分发展出口直管段；离心泵水力模型主要包括叶轮、导叶、蜗壳以及间隙。

计算模型设置选用了Simerics MP+软件中的离心泵分析模型；湍流模型选用标准k-ε模型；流体介质设置液相为水，气相为水蒸汽，温度25℃；网格划分按照Simerics MP+软件的二叉树加六面体结构网格划分法，对模型按各个功能构件进行自动网格划分，并且将各自边界层进行网格加密；边界条件设置方面，水力模型进口采用速度边界条件，出口采用压力边界条件。

在网格无关性验证方面，以待充分发展进口段单泵模型为基准，选取了3套不同密度网格进行敏感性分析，与该成熟型号离心泵出厂性能试验结果相比较，发现约400万与500万网格数计算模型与出厂性能试验结果符合性较好。综合考虑模拟分析计算效率及精度，最终选取400万网格数的网格划分参数设置进行计算分析。

在模拟分析计算工况点选取方面，以额定流量1780m3/h为基准，设定其为1.0Q，在额定流量点之外，分别选取流量为1.2Q、0.85Q、0.7Q、0.5Q的工况点进行模拟分析计算，得到两个流体力学分析模型的稳态性能曲线。

3 计算结果分析

3.1 分析结果有效性

为验证该套离心泵流体力学分析模型的有效性，将进口为均匀流动的单泵水力模型计算分析结果，与该成熟型号离心泵的出厂试验结果进行对比分析，其流量-扬程、流量-效率对比图详见图1及图2。

图1 流量-扬程模拟分析与出厂试验结果对比图

图2 流量-效率模拟分析与出厂试验结果对比图

根据流量-扬程、流量-效率分析与试验结果对比可以发现，进口为均匀流动的单泵水力模型其流量-扬程、流量-效率模拟分析结果与泵厂的出厂试验结果符合性很好，尤其在额定流量工况点，模拟分析计算得到的扬程与出厂试验结果偏差仅为0.009%。其他工况点的分析结果符合性也很好，仅在0.5Q流量工况点偏差稍大，约为4%。计算分析所使用湍流模型的局限性可能是造成这种情况的原因，因为标准k-ε模型对于高雷诺数流动分析计算精确度较高，雷诺数降低后，计算精度可能有所降低。

综合上述分析结果，本文建立的离心泵、进口、出口水力模型及网格结构是有效的。

3.2 水力干扰影响分析

进口为均匀流动的单泵水力模型与进口为非均匀流动、并联双泵水力模型的流量-扬程、流量-效率计算结果对比图详见图3及图4。

图3 流量-扬程均匀来流与非均匀来流计算结果对比图

图4 流量-效率均匀来流与非均匀来流计算结果对比图

对比进口为均匀流动的单泵水力模型与进口为非均匀流动、并联双泵水力模型的流量-扬程分析结果图3可以发现，进口为非均匀流动、并联双泵模型的扬程除在0.5Q工况下，均较进口为均匀流动的单泵模型有所降低，并且泵1扬程下降的幅度较泵2稍大；在0.5Q工况下，单泵均匀来流与双泵非均匀来流的扬程分析结果相近。随着流量的增大，双泵非均匀来流的扬程下降幅度也越加增大，在1.0Q工况下，其与单泵均匀来流相比，差值约为3.7%；在1.2Q工况下，其与单泵均匀来流相比，差值约为4.3%。该趋势与侯向陶[3]研究泵进口来流产生畸变对其扬程性能产生的影响规律是一致的。

对比进口为均匀流动的单泵水力模型与进口为非均匀流动、并联双泵水力模型的流量-效率分析结果图4可以发现，双泵并联时两台泵的效率除在0.5Q工况下，均较进口为均匀流动的单泵模型有所降低，并且泵1扬程下降的幅度较泵2稍大，在额定工况1.0Q处，泵1效率与单泵均匀来流相比相差约2.4%。流量-效率的变化趋势与流量-扬程大致相同。

4 结论

本文进口为均匀流动的单泵水力模型计算结果经与泵厂的出厂试验数据对比后发现，两者的符合性很高，仅在小流量工况下有些偏离，这是由于计算分析所使用湍流模型的局限性造成的。因此可以认为本文建立的离心泵、进口、出口水力模型及网格结构是有效的。

对比进口为均匀流动的单泵水力模型与进口为非均匀流动、并联双泵水力模型分析结果可以发现，由于进口的非均匀流动以及两泵并联设置所带来的水力干扰作用，对离心泵本身的性能曲线产生了一定的影响。即除小流量工况外，两台泵在对应流量工况下，其扬程、效率均较进口为均匀流动的单泵模型略有降低，且泵1降低的幅度略大于泵2；随着流量的增大，并联双泵的扬程下降幅度也稍有增大。

本文对于离心泵的水力模型建模方法、网格划分方法、模型边界条件及流体计算方法设置可供其他离心泵在实际运行环境下的性能参数模拟仿真进行借鉴、参考。