□耿鑫琪
(武漢中糧食品科技有限公司 湖北 武漢 430000)
離心泵小流量工況下的內(nèi)部流動(dòng)特性
□耿鑫琪
(武漢中糧食品科技有限公司 湖北 武漢 430000)
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和離心泵使用量的不斷增加,人們?cè)絹?lái)越重視離心泵運(yùn)行的穩(wěn)定性和高效性,離心泵內(nèi)部流動(dòng)特性決定著其性能和運(yùn)行狀態(tài),一般說(shuō)來(lái),離心泵內(nèi)部流動(dòng)性越好,速度和壓力的分布更具規(guī)律性,則運(yùn)行狀態(tài)更穩(wěn)定。不同的離心泵系統(tǒng)設(shè)置不同,且離心泵運(yùn)行狀態(tài)也不同,多是在小流量工況下運(yùn)行,一般情況下,離心泵在小流量工況下運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象,比如會(huì)出現(xiàn)回流、失速、流動(dòng)分離等情況的發(fā)生,這時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響離心泵運(yùn)行的穩(wěn)定性和高效性,因此,為更好地研究離心泵小流量工況下的內(nèi)部流動(dòng)特性,文中針對(duì)IS160-50-65型離心泵在小流量工況下進(jìn)行數(shù)值模擬分析,并為離心泵小流量工況下的內(nèi)部流動(dòng)特性提供一定的數(shù)值參考。
離心泵;小流量工況;內(nèi)部流動(dòng)特性
泵是現(xiàn)代工業(yè)中能量轉(zhuǎn)換和液體輸送的重要?jiǎng)恿ρb置,而離心泵是應(yīng)用最為廣泛的裝置,被廣泛的應(yīng)用在能源行業(yè)、農(nóng)業(yè)灌溉以及交通運(yùn)輸行業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域,通過(guò)對(duì)離心泵的研究可以發(fā)現(xiàn),離心泵的運(yùn)行狀態(tài)取決于其內(nèi)部流動(dòng)特性。離心泵大部分情況下是在小流量工況下運(yùn)行,但是,其在小流量工況下運(yùn)行容易產(chǎn)生回流現(xiàn)象,且葉輪流道內(nèi)可能會(huì)發(fā)生分離漩渦,從而造成離心泵系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定性,因此,本文結(jié)合數(shù)值模擬方法對(duì)小流量工況下的內(nèi)部流動(dòng)性進(jìn)行分析,得出流動(dòng)規(guī)律,從而為離心泵運(yùn)行的穩(wěn)定性提供支撐。
1.1 計(jì)算模型
本文的研究對(duì)象是低速率離心泵,其設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1,采用Pro/E軟件進(jìn)行三維建模,且為了最大程度的排除干擾,在葉輪進(jìn)口增加了長(zhǎng)度為五倍的進(jìn)口直徑,在出口增加了長(zhǎng)度為五倍的出口延伸段。
表1 離心泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)
1.2 網(wǎng)格劃分
模型建立完成后要進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,而網(wǎng)格劃分是數(shù)值計(jì)算的前提,網(wǎng)格劃分質(zhì)量影響著數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性,本文進(jìn)行離心泵內(nèi)部流動(dòng)特性的研究采用ICEM對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分,共劃分為四個(gè)部分,進(jìn)口管道、葉輪流道、蝸殼流道和擴(kuò)壓室,考慮到離心泵設(shè)計(jì)復(fù)雜且工況不定,進(jìn)行建模時(shí)則采用性能比較好的四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。
1.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證
網(wǎng)格的劃分對(duì)模型數(shù)值的準(zhǔn)確性影響很大,因此,對(duì)離心泵研究建模之前需要對(duì)網(wǎng)格做無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,便于選取合理的模型結(jié)果。網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證指的是當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量有一個(gè)恒定值時(shí),數(shù)值計(jì)算結(jié)果不再隨數(shù)量的增加而改變數(shù)值,計(jì)算結(jié)果也會(huì)得出一個(gè)恒定值。網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證是數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ),也是保證模型穩(wěn)定性的前提,其中,揚(yáng)程可當(dāng)做參考標(biāo)準(zhǔn),即網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到恒定值,揚(yáng)程變化比較小的情況下,可以驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)量對(duì)數(shù)值驗(yàn)證結(jié)果是可信的,且數(shù)值的準(zhǔn)確度與網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān)?;诖?,本文選取一定范圍的網(wǎng)格數(shù),分成八組網(wǎng)格,進(jìn)行數(shù)值分析,見(jiàn)表2。
通過(guò)表2可以得出,網(wǎng)格數(shù)達(dá)到108萬(wàn)時(shí),揚(yáng)程最高,而當(dāng)網(wǎng)格數(shù)繼續(xù)增大達(dá)到200萬(wàn)時(shí),揚(yáng)程則降低到20.657,網(wǎng)格數(shù)繼續(xù)增大達(dá)到220萬(wàn)時(shí),揚(yáng)程數(shù)為20.652,變化不大,而且隨著網(wǎng)格數(shù)的增大,揚(yáng)程數(shù)基本沒(méi)有變化,這說(shuō)明,網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證指的是當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量有一個(gè)恒定值時(shí),數(shù)值計(jì)算結(jié)果不再隨數(shù)量的增加而改變數(shù)值,計(jì)算結(jié)果也會(huì)得出一個(gè)恒定值。
離心泵內(nèi)部流動(dòng)特性會(huì)隨著流量的變化不斷地發(fā)生改變,本文主要針對(duì)離心泵小流量工況下的內(nèi)部流動(dòng)流動(dòng)特性進(jìn)行定常數(shù)值模型研究。
2.1 離心泵外特性預(yù)測(cè)分析
離心泵的揚(yáng)程和速率是內(nèi)部流動(dòng)特性的表現(xiàn)形式,通過(guò)對(duì)1.25m3/h到16.25m3/h中多個(gè)工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,得出離心泵內(nèi)部流動(dòng)特性曲線。
揚(yáng)程計(jì)算公式:H=P2-P1/Pg,其中,P2為離心泵出口總壓,P1為進(jìn)口總壓,單位為Pa;離心泵速率計(jì)算公式:ηh=pgQH/Mω,其中,M為葉輪扭矩,單位為N·s,ω為葉輪角速度,單位為rda/s。根據(jù)揚(yáng)程、速率的計(jì)算公式,可以得出小流量工況下的各種數(shù)據(jù),進(jìn)而得出離心泵小流量工況下的內(nèi)部流動(dòng)特性。根據(jù)不同流量下離心泵的數(shù)值結(jié)果,可以得出小流量工況下離心泵的揚(yáng)程和速率的計(jì)算數(shù)值,進(jìn)而通過(guò)模擬計(jì)算,得出不同工況下的流動(dòng)特性,但是,考慮到設(shè)備條件的不同,對(duì)流動(dòng)性能的模擬可能會(huì)存在誤差,將非全流場(chǎng)計(jì)算得出的揚(yáng)程值的5%作為損失補(bǔ)充部分。
表2 離心泵不同網(wǎng)格數(shù)的預(yù)測(cè)揚(yáng)程
2.2 離心泵內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算分析
為更好地測(cè)算離心泵小流量工況下的內(nèi)部流動(dòng)特性,特分析流量工況Q/Qd=1.0和小流量工況Q/Qd=0.4,Q/Qd=0.2時(shí)內(nèi)部流動(dòng)情況的數(shù)值分析,通過(guò)不同流量下的方案設(shè)計(jì),通過(guò)計(jì)算可以得出,葉輪軸面分布均勻的情況下,離心泵的內(nèi)部流量穩(wěn)定;小流量工況下,離心泵出現(xiàn)回流情況,而且隨著流量越來(lái)越小,回流現(xiàn)象會(huì)變得越來(lái)越嚴(yán)重,而且根據(jù)分析可以的得出,小流量Q/Qd=0.2的工況情況下,離心泵流道中的漩渦是最多的,也就是說(shuō)回流最為明顯,因此,可以得出結(jié)論,在液體回流的情況下,流體逆主流方向回流至進(jìn)口管的離心泵進(jìn)口管道中,甚至可能會(huì)回流到吸水管中。
上一部分通過(guò)定常數(shù)值分析了離心泵不同流量工況下的數(shù)值分析,并獲得了內(nèi)部流動(dòng)特性,但是離心泵的內(nèi)部流動(dòng)特性是一個(gè)復(fù)雜的三維模型,僅憑定常數(shù)值分析無(wú)法真實(shí)反映離心泵小流量工況下的內(nèi)部流動(dòng)特性,因此,還需要對(duì)離心泵內(nèi)部流場(chǎng)非定常數(shù)值進(jìn)行分析。
為了對(duì)蝸殼中的速度進(jìn)行分析,選取低比轉(zhuǎn)速泵,通過(guò)徑向尺寸的對(duì)比,軸向速度基本無(wú)變化,通過(guò)分析可以得出結(jié)論,隨著離心泵流量的降低,周向速度和徑向速度也是不斷地降低的,使得進(jìn)入蝸殼流道中的液體不斷地減少,進(jìn)而使得蝸殼內(nèi)的速度較低。本部分采用非定常數(shù)值分析法對(duì)離心泵小流量工況下的內(nèi)部流動(dòng)性進(jìn)行分析,通過(guò)能夠監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置分析了速度和壓力,并通過(guò)快速傅里葉變換獲得壓力脈動(dòng)的頻率特性。通過(guò)模型的建立可以得出,小流量工況下,液體出現(xiàn)分離和回流情況,且高能流體會(huì)對(duì)進(jìn)口管道內(nèi)的主流產(chǎn)生干擾,使得進(jìn)口管道的流體變得沒(méi)有規(guī)律性,甚至可能會(huì)發(fā)生漩渦現(xiàn)象,而且隨著流量的不斷減小,離心泵內(nèi)部的流線也是越來(lái)越?jīng)]有規(guī)律,進(jìn)而占據(jù)了整個(gè)空間,極易引起內(nèi)部流量的不穩(wěn)定性,情況嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)發(fā)生內(nèi)部斷流現(xiàn)象。
通過(guò)分析可以得出結(jié)論:不同流量的設(shè)計(jì)工況下,離心泵揚(yáng)程預(yù)測(cè)偏差為1.47%時(shí),則偏差為3.61%;在小流量工況下,流量越小,離心泵的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值偏差趨勢(shì)越小,而效率則不斷地增大;離心泵在小流量工況下,進(jìn)口管道會(huì)出現(xiàn)回流現(xiàn)象,且隨著流量的減小,回流現(xiàn)象越明顯,甚至可能會(huì)出現(xiàn)堵塞葉輪流道的情況。
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1004-7026(2016)18-0089-02
S277.9;TH311
A
DOI:10.16675/j.cnki.cn14-1065/f.2016.18.069