李寶良，管迎冬，范振興

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

在化工生產(chǎn)行業(yè)中，泵是生產(chǎn)流程中的關(guān)鍵設(shè)備.由于所處環(huán)境惡劣，泵的抗腐蝕、抗磨、抗空蝕能力是衡量其性能的重要指標(biāo).尤其是由于空蝕，將造成泵葉輪的嚴(yán)重破壞，以致其失去傳輸介質(zhì)功能.

循環(huán)泵廣泛應(yīng)用于燒堿、純堿、磷銨、酒精等化工行業(yè)中，其作用是在料液進(jìn)行濃縮結(jié)晶時(shí)提供循環(huán)動(dòng)力，促進(jìn)料液循環(huán)，同時(shí)提高料液在蒸發(fā)過(guò)程中的傳熱系數(shù)，加快循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶，達(dá)到節(jié)能增產(chǎn)的目的.在我國(guó)的制堿流程系統(tǒng)中，冷析循環(huán)泵是其中的核心設(shè)備，在生產(chǎn)過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用.目前我國(guó)制堿生產(chǎn)過(guò)程(即氯化氨生產(chǎn)過(guò)程)中使用的冷析結(jié)晶器循環(huán)泵，幾乎都采用軸流式的循環(huán)泵，然而此類軸流泵在使用過(guò)程中卻存在很多問(wèn)題，主要包括流量不足、效率低、進(jìn)口存在預(yù)旋、密封不可靠、汽蝕等［1］.為此，設(shè)計(jì)了一種新型混流式冷析循環(huán)泵.

本文以某一新型制堿流程中冷析循環(huán)泵(混流泵)為研究對(duì)象，應(yīng)用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，研究離心泵內(nèi)部流場(chǎng)分布及空化現(xiàn)象，為冷析循環(huán)泵(以下稱混流泵)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究提供理論依據(jù)，指導(dǎo)冷析循環(huán)泵工程設(shè)計(jì).

1 模型建立及邊界條件

1.1 混流泵內(nèi)部流場(chǎng)區(qū)域的建立

應(yīng)用PROE軟件，經(jīng)過(guò)合理簡(jiǎn)化，建立混流泵葉輪的三維模型如圖1所示，全流道三維模型如圖2所示.

圖1 葉輪的三維模型

圖2 流道三維模型

1.2 網(wǎng)格劃分

計(jì)算網(wǎng)格的合理設(shè)計(jì)和高質(zhì)量生成是CFD計(jì)算的前提條件，同時(shí)也是影響CFD計(jì)算的關(guān)鍵因素之一［2］.采用FLUENT軟件中的GAMBIT模塊對(duì)混流泵全流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于流道結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此采用混合網(wǎng)格，劃分好網(wǎng)格總體質(zhì)量良好，如圖3所示.

圖3 混流泵計(jì)算網(wǎng)格

1.3 邊界條件

采用湍流模型中的κ－ε為標(biāo)準(zhǔn)模型［3］，對(duì)混流泵的葉輪區(qū)域與蝸殼區(qū)域的動(dòng)靜耦合運(yùn)算采用動(dòng)參考坐標(biāo)模型;離心泵的工作環(huán)境壓為一個(gè)大氣壓，設(shè)計(jì)工況流量為0.829 3 m3/s，葉輪轉(zhuǎn)速580 r/min，根據(jù)這些數(shù)據(jù)設(shè)定混流泵進(jìn)出口邊界及壁面等邊界條件的具體參數(shù)，求解方法采用SIMPLE算法.進(jìn)口邊界條件采用速度進(jìn)口邊界條件，出口邊界條件采用出流邊界條件，固壁條件采用無(wú)滑移的壁面邊界條件.

2 結(jié)果及分析

2.1 速度矢量變化

經(jīng)過(guò)分析，得出葉輪葉片壓力面和吸力面在不同流量情況下的速度矢量分布如圖4～圖7所示.

圖4 Q=0.663 5 m3/s葉片速度矢量分布

圖5 Q=0.729 8 m3/s葉片速度矢量分布

圖6 Q=0.829 3 m3/s葉片速度矢量分布

圖7 Q=0.895 7 m3/s葉片速度矢量分布

從圖中看出流體在葉輪內(nèi)總的流動(dòng)趨勢(shì)良好，沒(méi)有明顯的斷流、渦流現(xiàn)象，說(shuō)明葉片的曲率、安放角設(shè)計(jì)合理.另外葉輪壓力面和吸力面流動(dòng)速度從葉輪進(jìn)口到出口不斷地減小，進(jìn)口處有小的沖擊，同時(shí)在輪緣處有局部高速區(qū)，容易產(chǎn)生旋渦，易發(fā)生空蝕，這與泵實(shí)際運(yùn)行時(shí)發(fā)生空蝕的位置相吻合.

同時(shí)從圖中可以看出壓力面的速度分布較為均勻，輪緣處的速度較輪轂處的速度大，并且隨著流量的增加，輪緣處的高速區(qū)逐漸減少，當(dāng)流量增加到設(shè)計(jì)工況時(shí)速度梯度很小.吸力面的整體速度分布也是較為均勻的，圖中葉輪吸力面進(jìn)口區(qū)前端顯示出較為分散的小的速度量，這是由于葉片寬度和沖角引起的，當(dāng)流量達(dá)到Q=0.729 8 m3/s時(shí)吸力面入口區(qū)域有小的漩渦產(chǎn)生，當(dāng)流量進(jìn)一步增大后，漩渦消失，說(shuō)明選擇適當(dāng)?shù)牧髁靠梢詼p少產(chǎn)生漩渦的機(jī)會(huì).隨著流量的增加，高壓區(qū)越趨向于葉輪進(jìn)口區(qū)域靠近輪緣處1/3的區(qū)域，與實(shí)際運(yùn)行時(shí)空蝕的位置相吻合.為了避免或減少空蝕產(chǎn)生，可以適當(dāng)?shù)販p小葉片進(jìn)口處厚度，使得葉片進(jìn)口流體的流動(dòng)盡量接近流線型，從而使泵的抗空蝕性能得到改善.

2.2 葉片湍動(dòng)能、湍流強(qiáng)度和湍流耗散率

經(jīng)過(guò)分析，得出葉輪葉片的湍動(dòng)能、湍流強(qiáng)度和湍流耗散率的分布云圖如圖8～圖10所示.

圖8 Q=0.829 3 m3/s葉片湍動(dòng)能分布

圖9 Q=0.829 3 m3/s葉片湍流強(qiáng)度分布

圖10 Q=0.829 3 m3/s葉片湍流耗散率分布

從圖中看出，葉輪葉片的湍動(dòng)能、湍流強(qiáng)度和湍流耗散率都具有相似的分布規(guī)律.不管是壓力面還是吸力面，都是進(jìn)口處的湍動(dòng)能、湍流強(qiáng)度和湍流耗散率最大，在相同流量工況下，吸力面的湍動(dòng)能、湍流耗散率和湍流強(qiáng)度值比壓力面大，并且壓力面的梯度分布較吸力面均勻，說(shuō)明吸力面比壓力面更容易產(chǎn)生空蝕.湍動(dòng)能、湍流強(qiáng)度和湍流耗散率值一般在葉片進(jìn)口區(qū)域至葉片1/3處較大，并且最大值一般出現(xiàn)在葉片進(jìn)口邊附近的中心區(qū)域，而輪緣和輪轂處的值則相對(duì)較小.這與葉輪葉片發(fā)生氣蝕的位置相吻合.合理設(shè)計(jì)葉片進(jìn)口邊的位置和葉片進(jìn)口部分的形狀，將會(huì)改善泵的抗空蝕能力.

3 結(jié)論

(1)應(yīng)用Pro/E對(duì)冷析循環(huán)泵內(nèi)部流場(chǎng)的建模過(guò)程中，對(duì)原型冷析循環(huán)泵進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化調(diào)整，從最終仿真的結(jié)果可以看到對(duì)模型的簡(jiǎn)化是合理的;

(2)循環(huán)泵內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)，沒(méi)有明顯的渦流、回流和二次流現(xiàn)象，說(shuō)明葉輪設(shè)計(jì)較為合理;同時(shí)在葉片的進(jìn)口區(qū)域附近沒(méi)有產(chǎn)生明顯的沖擊現(xiàn)象，說(shuō)明安放角設(shè)計(jì)較為合理;

(3)葉輪壓力面和吸力面流動(dòng)速度從葉輪進(jìn)口到出口不斷地減小，進(jìn)口處有小的沖擊，同時(shí)在輪緣處有局部高速區(qū)，容易產(chǎn)生旋渦，易發(fā)生空蝕，且吸力面比壓力面更容易產(chǎn)生空蝕.

［1］楊敏官，李忠.軸流式強(qiáng)制循環(huán)泵的研究現(xiàn)狀［J］.流體機(jī)械，2006，34(5):31-33.

［2］楊軍虎，吳俊輝，張人會(huì)，等.無(wú)過(guò)載離心泵內(nèi)部流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬［J］.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，35(1):41-45.

［3］張淑佳，李賢華，朱保林，等.k－ε渦粘湍流模型用于離心泵數(shù)值模擬的適用性［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45(4):238-242.

［4］J G WISSINK.DNS of separating low Reynolds number flow in turbine cascable with incoming wakes［J］.International Journal of Heat and Fluid Flow，2003，24(4):626-635.