張　鑫，崔寶玲，周漢濤，饒　昆，葛明亞

(浙江理工大學浙江省流體傳輸技術研究重點實驗室，杭州 310018)

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不同起始直徑分流葉片的離心泵內(nèi)部流場數(shù)值分析

張鑫，崔寶玲，周漢濤，饒昆，葛明亞

(浙江理工大學浙江省流體傳輸技術研究重點實驗室，杭州 310018)

為研究不同起始直徑分流葉片離心泵內(nèi)部非定常流動特性，利用計算流體力學軟件，針對3種不同起始直徑分流葉片的低比轉速離心泵，進行了三維非定常數(shù)值計算。對比分析了3種起始直徑分流葉片離心泵內(nèi)部流體速度和壓力分布。計算結果表明：葉輪Ⅰ的內(nèi)部流動情況最為理想，分流葉片的起始直徑在一定的程度上會影響葉輪內(nèi)部的流動情況，合理的起始直徑能夠減小回流漩渦區(qū)域，從而提高其過載能力；由于動靜干涉作用，在蝸殼壁面產(chǎn)生了較大的壓力波動，3個葉輪的波動各不相同，在葉輪Ⅱ中波動較另外2個葉輪更為明顯。

不同起始直徑；分流葉片；離心泵；非定常；數(shù)值模擬

0　引　言

離心泵對農(nóng)業(yè)工程、石油化工、航空航天、能源工程等行業(yè)的發(fā)展有著重要的作用[1]。離心葉輪作為離心泵的關鍵過流部件，其作用是對流體做功，對離心泵的內(nèi)部流場和性能有著至關重要的作用。低速比較離心泵具有小流量工況不穩(wěn)定、效率低、易過載等問題，葉輪增加分流葉片可以有效地改善離心泵性能。針對帶有分流葉片的離心泵，國內(nèi)很多學者都進行過研究，如耿少娟等[2]針對具有長-短葉片、無短葉片和短-短葉片3種形式葉輪的離心泵在設計工況點下對離心泵整機流場進行了非定常數(shù)值模擬，分析了不同葉片形式對泵的揚程、進出口壓力波動等的影響，結果表明：對于有限葉片葉輪進口壓力波動的幅度明顯大于出口；與普通葉輪相比，長短葉片結構的葉輪能改善二次流流場且能減小蝸殼出口的壓力波動，但缺點是進口壓力波動幅度會隨長葉片數(shù)目減少而增大。不同短葉片的幾何尺寸也會造成進出口壓力脈動形式和波動幅度的不同。張金鳳等[3]對低比轉速離心泵IS 50-32-160的全流場進行了分析，計算結果顯示：分流葉片有利于提高蝸殼入口和葉輪出口的速度、壓力等分布的均勻性，能夠提高葉輪的出口壓力，從而減小葉輪出口壓力脈動。施衛(wèi)東等[4]對軸流泵的全流場進行了三維非定常的數(shù)值模擬與試驗，結果表明：在葉輪進口處軸流泵內(nèi)壓力脈動最大；在偏離設計工況點時，壓力脈動幅值明顯增大；同時減少導葉數(shù)會使出口處的壓力脈動增大。袁建平等[5]對帶有三長三短葉片的葉輪離心泵蝸殼流道的壓力脈動及其特性進行了分析，得出蝸殼內(nèi)的壓力脈動是由于葉輪-蝸殼的動靜干涉作用。

本文利用CFD軟件Fluent在設計工況下對具有3種不同起始直徑分流葉片低比轉速離心泵內(nèi)部流場，進行了非定常數(shù)值模擬，探討了分流葉片起始直徑對泵內(nèi)部流場非定常流動特性的影響，為今后相似類型離心泵進一步的改進提供一定的理論依據(jù)。

1　幾何模型

本文進行非定常數(shù)值模擬的低比轉速離心泵的設計參數(shù)為：設計流量Q為1.5m3/h，設計揚程H為15m，額定轉速為2900r/min，比轉速ns=28.3。兩個長葉片之間均勻布置兩個短葉片，短葉片在長葉片的基礎上根據(jù)不同的起始直徑切割得到。表1為3個葉輪的幾何參數(shù)，其中b1、b2分別為葉片進出口寬度，D1、D2分別為葉輪進出口直徑、D為短葉片的起始直徑，β1、β2分別為葉片進出口安裝角度。

表1　葉輪主要幾何參數(shù)

進行數(shù)值模擬的計算區(qū)域包括進口段、誘導輪、葉輪及蝸殼4個部分。葉輪為閉式葉輪，具有4片長葉片和8片短葉片，葉輪模型示意圖如圖1所示。

圖1　葉輪模型示意

2　模型及邊界條件

2.1網(wǎng)格劃分

表2　整機流場各單元網(wǎng)格數(shù)

圖2　整機網(wǎng)格示意

2.2邊界條件設置

進行數(shù)值計算時，清水作為離心泵的工作介質。計算區(qū)域的進口，邊界條件設為速度入口，并通過計算給定湍動能以及耗散率；計算域的出口條件設置為自由出流；葉片表面、輪轂以及前后蓋板均設為固壁無滑移邊界條件；葉輪和誘導輪設置為轉動邊界，靜止蝸殼與旋轉葉輪之間以及誘導輪與壁面之間都采用滑移網(wǎng)格技術處理。

3　數(shù)值計算結果及分析

模型泵設計轉速為2900 r/min，設定葉輪每轉過一周為一個周期，每旋轉1°為一個時間步長，那么每個時間步長ΔT=5.75×10-5s。本文中的葉輪為4長8短，形狀為幾何對稱結構，以葉輪旋轉90o為一個計算周期，即一個計算周期有90個時間步長。湍流模型采用標準k-ε模型。當泵出口面平均總壓隨時間的波動情況呈明顯的周期性變化趨勢，殘差低于1×10-5，計算收斂。

3.1壓力分析

3.1.1中截面靜壓分布

圖3為3個葉輪在不同時刻中截面靜壓分布圖。自左向右分別為T/3、2T/3、T時刻，從不同時刻的靜壓圖可知，在一個計算周期內(nèi)，由于旋轉葉輪與蝸殼之間的動靜干涉，在葉輪流道與蝸殼內(nèi)的靜壓分布在不同的時刻表現(xiàn)出不同的特征。每個葉輪流道里的靜壓都呈現(xiàn)一種從進口到出口逐漸增大趨勢，靜壓等值線沿著圓周方向分布較為均勻。在入口處，由于葉輪入口處壓力較低，葉輪對流體做功使流體能量增加壓力顯著升高，所以在入口處壓力梯度十分明顯。而在蝸殼流道內(nèi)，靜壓整體變化不大。在蝸殼的隔舌處出現(xiàn)了局部壓力升高的現(xiàn)象，這是因為在隔舌處的流體與泵體發(fā)生撞擊，造成部分能量損失使得速度降低從而使局部壓力上升。由于葉輪對流體做功的作用，葉輪流道內(nèi)相同半徑下壓力面的靜壓值要大于吸力面，這在隔舌處表現(xiàn)得比較明顯。

從圖3中可以看出葉輪Ⅲ在進口處的進口壓力最小，葉輪Ⅱ、葉輪Ⅰ次之，并且可以看出最小壓力出現(xiàn)在葉輪主葉片的吸力面附近，這也是汽蝕最容易發(fā)生的地方。葉輪Ⅲ流道內(nèi)靜壓分布不均勻的情況在葉輪Ⅱ得到了明顯的改善。葉輪Ⅰ內(nèi)的靜壓基本沿圓周方向分布，分布比較均勻，說明分流葉片越長對主葉片之間的流體的分流作用越強，從而減小了流體在葉輪流道的擴散，在一定程度上改善葉輪內(nèi)部的靜壓分布。不同時刻蝸殼出口的靜壓值不同，這是因為隨著葉輪的旋轉葉片的位置也不斷的變化著，當葉片經(jīng)過隔舌時使流體不能順利的排出，從而導致蝸殼在不同的時刻流體的速度也不一樣，故不同時刻蝸殼出口的壓力也在變化。

圖3　葉輪中截面不同時刻靜壓分布

3.1.2蝸殼斷面靜壓分布

在水平井的鉆探過程中，通常會混入一定量的原油或成品油，以此保證井眼的潤滑性及鉆井的安全性。這樣就會對常規(guī)地質錄井項目造成影響，但分析氣測資料，結合巖屑和熒光錄井就能準確的識別油氣層。通過分析混油前后甲烷和全烴的變化，可以得出：混油后全烴會驟然增加，而甲烷則增加不明顯，則甲烷相對含量就會相對混油前發(fā)生突變。

通過旋轉做功，將機械能轉化為流體的動能，流體在蝸殼內(nèi)部完成動壓向靜壓的轉化。通過對蝸殼斷面監(jiān)測分析了流體經(jīng)葉輪進入到蝸殼靜壓的分布情況，選取了第Ⅵ斷面和第Ⅷ斷面進行分析，在每個斷面均勻地布置監(jiān)測點。圖4為蝸殼所監(jiān)測的兩個斷面及監(jiān)測點布置圖，第Ⅵ斷面和第Ⅷ斷面方向垂直。其中P40、P41、P42、P10、P11、P12、P13、P14、P15為設置在蝸殼斷面上的監(jiān)測點。

圖4　蝸殼斷面及監(jiān)測點布置

圖5為蝸殼所監(jiān)測兩個斷面的靜壓分布圖。由圖5可知，在第Ⅵ和第Ⅷ斷面的靜壓值沿著徑向由葉輪出口向蝸殼壁面逐漸增大，比較各個點的波動幅度可以看出，在葉輪出口處的波動幅度最大，越靠近壁面處波動幅度越小。這是因為在葉輪出口的點位于交界面，流出的流體受動靜干涉影響較大。從圖5中可以看出，各個監(jiān)測點靜壓的波動均有3個波峰，這與在計算周期內(nèi)有3個葉片正好相符合，說明靜壓波動與葉片通過頻率有關。分析葉輪Ⅰ在斷面Ⅷ的靜壓變化，當葉片掃過0°～10°左右時靜壓由沿徑向減小，此時長葉片掃過斷面，當葉片掃過10°～28°時靜壓沿徑向逐漸增大，此時短葉片掃過斷面，可見蝸殼斷面靜壓峰值的出現(xiàn)與葉片掃過斷面有關，當葉片掃過斷面時靜壓值減小，且圖中靜壓值最大值在兩個相鄰短葉片之間，靜壓最小值出現(xiàn)在由短葉片掃過長葉片的時候。通過比較兩個斷面的壓力可以看出Ⅷ斷面壓力波動更明顯，這是因為第Ⅷ斷面距離蝸舌最近，流動也較其它斷面復雜。而第Ⅵ斷面相對離蝸舌較遠，受動靜干涉影響較小，故壓力波動幅度相對較弱，但兩個斷面波動趨勢基本一致。

圖5　蝸殼第Ⅵ和第Ⅷ斷面靜壓分布

3.2速度分析

3.2.1葉輪中截面速度分析

圖6為3種葉輪在設計工況點不同時刻的中截面相對速度流線圖。在葉輪Ⅲ內(nèi)部明顯存在不同大小程度的軸向漩渦流動，軸向漩渦與流動方向相反。這是因為在葉片的壓力面處流體相對流速低，而在葉片的吸力面處相對速度較高，由于這種相對速度分布不均勻，導致葉片壓力面與吸力面產(chǎn)生壓差，從而產(chǎn)生了漩渦。這種現(xiàn)象在葉輪Ⅱ明顯減弱，在葉輪Ⅰ基本消失，這是因為葉輪Ⅲ中分流葉片最短，在流體進入到葉片前緣時相鄰兩葉片之間流道比較寬闊從而使流體脫流產(chǎn)生較大漩渦，長葉片壓力面附近低速區(qū)內(nèi)的流體不能順利流出葉輪；另外由于葉輪的高速旋轉，在葉輪出口附近存在射流-尾跡流動現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會使流體進入到蝸殼后由于撞擊造成水力損失。相比葉輪Ⅲ，葉輪Ⅱ的分流葉片較長，葉輪內(nèi)部流動較好，沒有出現(xiàn)明顯的回流漩渦區(qū)域，只有在個別流道存在，而葉輪Ⅰ的分流葉片起始直徑最短，故在流體進入到葉輪前緣時分流葉片能較早控制流體的流動，使得葉輪內(nèi)的流動基本沿著葉輪流道流動，整體流線分布較均勻，回流漩渦區(qū)域基本消失?？梢?，較長的分流葉片能夠減小回流漩渦區(qū)域，改善葉輪內(nèi)部流動情況，從而提高其過載能力。

圖6　葉輪中截面不同時刻的相對速度流線

3.2.2蝸殼斷面周向速度分析

由于蝸殼各個斷面的橫截面積大小不一樣，在第Ⅵ斷面均勻地的布置了3個監(jiān)測點，第Ⅷ斷面均勻地的布置了6個監(jiān)測點。蝸殼斷面周向速度分布如圖7所示。

圖7(a)為第Ⅷ斷面在一個周期內(nèi)周向速度隨時間變化圖。從圖7(a)中可以看出，不同葉輪的周向速度變化趨勢基本相同，靠近蝸殼入口處的監(jiān)測點的速度相對較大且隨著流體進入到蝸殼內(nèi)壁速度逐漸減小。因為在蝸殼入口處的流體受到葉輪旋轉做功而使得蝸殼入口處的周向速度要相對大于其它地方。在靠近蝸殼壁的流體，受葉輪做功的作用逐漸減弱且流體間相互作用逐漸增大到達蝸殼壁處的速度變得相對較小。各監(jiān)測點在一個周期內(nèi)呈上下波動，由于葉輪形式不同，速度波動情況也各不相同。比較3個葉輪周向速度，均有3個波峰與波谷，即分流葉片掃過蝸舌的時刻。比較3個葉輪的周向波動，葉輪Ⅰ比較穩(wěn)定，葉輪Ⅱ在進口處表現(xiàn)得雜亂，無規(guī)律性。由此可見，葉片掃過第Ⅷ斷面的時候會影響該斷面的速度。

圖7(b)為第Ⅵ斷面在一個周期內(nèi)周向速度隨時間變化圖。第Ⅵ斷面的周向速度分布與第Ⅷ斷面基本相同，從蝸殼進口沿蝸殼壁面方向速度逐漸減小，且在葉片掃過隔舌時速度有明顯的改變。所不同的是第Ⅷ監(jiān)測點的速度波動要稍大于第Ⅵ斷面監(jiān)測點的速度，且變化趨勢沒有第Ⅷ斷面那樣有規(guī)律性，這是因為該斷面遠離隔舌處，受葉輪蝸殼動靜干涉作用影響較小。比較3個葉輪波動，葉輪Ⅱ相對其它兩個較大，這與第Ⅷ斷面相一致?？梢?，由于蝸殼的非對稱結構會影響蝸殼內(nèi)部流動情況，遠離蝸舌的斷面受葉輪-蝸殼動靜干涉小，流體流動較穩(wěn)定，而靠近蝸舌的斷面流動較復雜。

圖7　蝸殼斷面周向速度分布

3.3瞬時揚程

離心泵內(nèi)部流動復雜具有明顯的非定常特性。圖8為一個計算周期內(nèi)3種工況點下三臺低比轉速離心泵的揚程曲線和相同工況下的實驗值。這里選擇0.5Q、1.0Q、1.3Q3個工況點，分別代表小流量工況、設計工況和大流量工況。從圖8中可以看出，在非設計工況下，離心泵的揚程及揚程波動幅度均比較大。通過計算可以得到，在設計工況點下葉輪Ⅰ最大揚程為16.41 m，最小值為15.28 m，波動幅值為 1.13 m ，有效揚程為15.92 m；葉輪Ⅱ最大揚程為16.21 m，最小值為15.09 m，波動幅值為 1.12 m ，有效揚程為15.69 m；葉輪Ⅲ最大揚程為16.47 m，最小值為15.30 m，波動幅值為 1.17 m ，有效揚程為15.90 m，與實驗揚程偏差分別為4.9%、6.6%和9.1%。可以看出，非定常計算可以很好地與實驗進行對照，對非定常計算的準確性提供了依據(jù)。

圖8　3種不同工況下瞬時揚程分布

4　結　論

本文對具有3種不同起始直徑分流葉片的低比轉速離心泵進行了三維非定常的數(shù)值模擬，并對結果進行分析，得到如下結論：

a)分流葉片的起始直徑在一定的程度上會影響葉輪內(nèi)部的流動情況，合理的起始直徑能夠減小回流漩渦區(qū)域，從而提高其過載能力。

b)葉輪Ⅰ內(nèi)部靜壓分布比較均勻，在相同半徑處靜壓也相對較大，且在葉輪進口處壓力相對較低，可以提高抗汽蝕性能，說明分流葉片的起始直徑的長度的合理選擇可以改善泵內(nèi)部的壓力分布，從而提高其性能以滿足揚程的要求。

c)蝸殼壁面處的壓力波動與葉片掃過隔舌有明顯的相關性，當有葉片掃過隔舌與靜止的蝸殼會產(chǎn)生干擾，產(chǎn)生大的壓力波動。

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(責任編輯： 康鋒)

Numerical Analysis on Internal Flow Field of Centrifugal Pump with Splitter Blades of Different Initial Diameters

ZHANGXin,CUIBaoling,ZHOUHantao，RAOKun,GEMingya

(Key Laboratory of Fluid Transmission Technology of Zhejiang Province,Zhejiang Sci-Tech University , Hangzhou 310018, China)

To study the internal unsteady flow characteristics of centrifugal pump with splitter blades of different initial diameters, this paper conducted three-dimensional unsteady numerical calculations on the low specific speedcentrifugal pump with splitter blades of three different initial diameters by using the CFD software. Inner fluid velocity and pressure distribution were contrastively analyzed for centrifugal pumps with splitter blades of three different initial diameters .The calculation results show that the internal flow of impeller I is most ideal; the initial diameter of splitter blade influences the internal flow of impeller to some extent; a reasonable initial diameter can reduce refluent vortex area, thereby increasing its overload ability; There is a large pressure fluctuation on the volute wall caused by rotor-stator interaction; fluctuations of three impellers differ from each other and the fluctuation of impellerⅡ is more obvious than the other two impellers.

different initial diameters; splitter blade; centrifugal pump; unsteady; numerical simulation

10.3969/j.issn.1673-3851.2016.03.012

2015-05-07

國家自然科學基金項目(51276172)；浙江省重大科技專項重點工業(yè)項目(2014C01020)

張鑫(1991-)，男，河南鄧州人，碩士研究生，主要從事流場測試及計算方面的研究。

崔寶玲，E-mail：blcui@zstu.edu.cn

TH421

A

1673- 3851 (2016) 02- 0225- 07 引用頁碼： 030406