沈飛，楊勤，羅力，黃書才，王建國

液貨泵輸送粘液的性能仿真與經(jīng)驗修正對比分析

沈飛，楊勤，羅力，黃書才，王建國

以一臺比轉(zhuǎn)速為69的潛沒式液貨泵為對象，仿真計算其輸送清水以及5種不同油介質(zhì)時的性能，得到不同介質(zhì)下的揚程曲線和效率曲線。結(jié)果表明，介質(zhì)的粘度對離心泵的性能有明顯的影響，隨著介質(zhì)粘度的升高，泵的揚程會降低，效率則降低更多；粘度還會改變泵的高效點，使高效點往小流量偏移。針對工程問題，推薦一種離心泵輸送粘液的經(jīng)驗修正方法，與仿真結(jié)果對比，該方法能夠滿足工程應(yīng)用的需求。

潛沒式液貨泵；粘度；性能曲線；經(jīng)驗修正

潛沒式液貨泵是在FPSO、油船、化學(xué)品船等液貨船上應(yīng)用最廣泛的設(shè)備。通常采用一艙一泵的布置方式安裝于貨艙底部，艙室之間完全隔離，因此理論上液貨船有多少個艙室就能儲卸多少種貨品。典型的潛沒式液貨泵的結(jié)構(gòu)形式是單級單吸離心泵，通常輸送的介質(zhì)會多種多樣，有原油、成品油和化學(xué)品等，這些介質(zhì)的粘度通常比清水大，但密度同清水比可大可小。

計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)是科研領(lǐng)域和工程領(lǐng)域內(nèi)研究泵內(nèi)湍流流動非常便利實用的工具。文獻(xiàn)[1-6]利用CFD計算工具分析了離心泵在輸送清水時的性能與內(nèi)部流動特點，并用于指導(dǎo)離心泵的設(shè)計優(yōu)化。但這些文獻(xiàn)中并未涉及其他流體介質(zhì)，實際上，目前大部分學(xué)者采用清水為介質(zhì)來研究離心泵內(nèi)部流動規(guī)律，對其他粘度介質(zhì)的研究很少，且即使研究了其他粘度介質(zhì)，不同學(xué)者所揭示的不同介質(zhì)下的流動規(guī)律有相互矛盾的地方，例如，文獻(xiàn)[7]指出粘度不會影響離心泵內(nèi)部流動規(guī)律和外特性曲線的趨勢走向，但文獻(xiàn)[8-9]卻發(fā)現(xiàn)粘度變化會引起外特性曲線的變化，會引起“揚程突升”現(xiàn)象。通過對比發(fā)現(xiàn)，這種矛盾產(chǎn)生的原因在于兩位學(xué)者對于所研究介質(zhì)的粘度值選取不同。文獻(xiàn)[7]研究的介質(zhì)最大運動粘度為8.4 mm2/s(以下簡稱“粘度”)，文獻(xiàn)[8-9]研究的介質(zhì)最大粘度為60.7 mm2/s，二者粘度差別較大，但二者最大粘度均未超過100 mm2/s。由此，對于經(jīng)常輸送粘度比水大很多的介質(zhì)(可能達(dá)到367 mm2/s)的離心泵，如潛沒式液貨泵，研究其在不同介質(zhì)下的性能是非常必要的。

1 計算模型與方法

1.1 計算域幾何模型

自主設(shè)計的潛沒式液貨泵其設(shè)計參數(shù)為流量Q=1 000 m3/h，轉(zhuǎn)速n=1 550 r/min，揚程H=150 m，必須汽蝕余量NPSHr=6 m，比轉(zhuǎn)速ns=69。幾何模型見圖1。

1.2 介質(zhì)物性參數(shù)

用于模型泵計算的液體介質(zhì)及其物性參數(shù)見表1。所輸送的液體均為牛頓型流體，非牛頓型流體不在本文的研究范圍之內(nèi)。

表1 介質(zhì)物性參數(shù)表

1.3 計算方法介紹

CFD數(shù)值計算選取非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格對計算模型進(jìn)行離散，近壁面區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。利用CFX軟件進(jìn)行定常計算，選擇SSTk-ω湍流模型，計算時入口條件設(shè)置為總壓，出口條件設(shè)為質(zhì)量流量出口，壁面采用無滑移固壁邊界，收斂精度設(shè)為10-5。計算不同介質(zhì)泵的性能時，僅改變介質(zhì)的物性參數(shù)，其他設(shè)置均相同。

此外，針對工程問題，文中利用實例介紹了一種經(jīng)驗修正計算方法，可快速準(zhǔn)確的得到離心泵輸送不同介質(zhì)時某一工況點的性能。

2 仿真結(jié)果與討論

2.1 不同介質(zhì)對泵水力性能的影響

圖2為模型泵在輸送清水、油1、油2時的揚程曲線。由圖2可見，3種介質(zhì)下的揚程曲線不重合，但趨勢基本一致，這說明介質(zhì)對泵水力性能是存在影響的，泵輸送清水時的揚程要高于輸送其他介質(zhì)的揚程。具體是介質(zhì)密度還是粘度影響了泵的性能，待下一步詳細(xì)分析。

2.2 介質(zhì)密度對泵水力性能的影響

油2和油3的粘度相同，密度不同，因此將這2種介質(zhì)的計算結(jié)果進(jìn)行比較來討論介質(zhì)密度對泵水力性能的影響。

圖3是模型泵在輸送油2、油3時的性能曲線。由圖3可見，在保持其他參數(shù)不變和忽略計算誤差的情況下，不同介質(zhì)密度下的揚程和效率曲線基本重合，說明了泵的揚程、效率參數(shù)與介質(zhì)的密度沒有關(guān)系。實際上，只有功率是隨著密度增大而增大的[10]，且有如下關(guān)系。

(1)

式中：下標(biāo)w為清水下的值；下標(biāo)c為實際介質(zhì)下的值；P為功率；ρ為介質(zhì)密度。

2.3 介質(zhì)粘度對泵水力性能的影響

油1、油3和油2、油5兩組介質(zhì)的密度相同，粘度不同，因此將這2組介質(zhì)的計算結(jié)果進(jìn)行比較來討論介質(zhì)密度對泵水力性能的影響，同時加入一組中間介質(zhì)油4來分析變化趨勢。

圖4是模型泵的揚程曲線。由圖4可見，油3比油1的粘度大，油3對應(yīng)的揚程比油1的??；油5比油2的粘度大，油5對應(yīng)的揚程比油2的小。因此，粘度引起了泵揚程的降低，輸送介質(zhì)粘度越大，泵的揚程就越低，通過加入油4對應(yīng)的揚程曲線對比，發(fā)現(xiàn)粘度所引起的泵揚程降低并不是線性變化的，具體規(guī)律目前還無法揭示。

圖5是模型泵的效率曲線。由圖5可見，粘度增大會降低泵的效率，粘度越大，泵的效率下降越多，這與粘度對揚程影響規(guī)律是一致的。另外，粘度增大到一定程度時會改變泵的高效點，使高效點往小流量偏移。圖5中油1、油2、油3對應(yīng)的最高效率點還是在額定流量1 000 m3/h左右時，但是隨著粘度的增大，油4、油5對應(yīng)的泵最高效率點前移到了流量900 m3/h左右時，而且可以看出隨著粘度繼續(xù)越大，高效點有繼續(xù)往小流量方向偏移的趨勢。

3 經(jīng)驗修正方法計算實例

工程實際應(yīng)用中，需要快速了解泵在輸送不同介質(zhì)時某一工況點的性能，數(shù)值仿真雖能夠計算出泵在輸送不同介質(zhì)時的性能曲線，但這一過程需耗費的時間較長。文中采用文獻(xiàn)[12]提供的離心泵輸送粘性介質(zhì)性能經(jīng)驗修正計算方法，快速計算模型泵額定工況點的性能，并與仿真值進(jìn)行對比分析。

3.1 經(jīng)驗修正方法簡介

經(jīng)驗修正方法計算粘液性能時完全采用數(shù)學(xué)公式，避免了因插值法產(chǎn)生的誤差，另外通過對大量實驗數(shù)據(jù)處理，引入了參數(shù)B，它綜合考慮了泵的雷諾數(shù)和比轉(zhuǎn)速對泵性能修正的影響，使計算結(jié)果更接近真實值。新經(jīng)驗修正方法計算步驟如下：

已知條件為離心泵輸送清水時的性能和所輸送粘液的粘度與密度。

步驟1。由已知參數(shù)計算參數(shù)B。

(2)

式中：QBEP-W為清水時最高效點流量，m3/h；HBEP-W為清水時最高效點揚程，m；υ為介質(zhì)粘度，mm2/s；n為泵轉(zhuǎn)速，r/min。

步驟2。計算流量修正系數(shù)CQ和輸送粘液的流量。

步驟3。計算揚程修正系數(shù)CH和輸送粘液的揚程。

步驟4。計算效率修正系數(shù)Cη和輸送粘液的效率。

3.2 實例計算結(jié)果

以模型泵輸送清水時的性能作為已知條件，利用經(jīng)驗修正方法計算模型泵輸送油5時額定工況的性能見表2。

由表2可見，輸送粘液的性能比輸送清水時的性能要低，這一規(guī)律與數(shù)值仿真計算的規(guī)律保持一致。

3.3 與仿真結(jié)果對比

將表2中的經(jīng)驗修正方法計算值與數(shù)值仿真計算出的模型泵輸送油5時額定點的性能進(jìn)行對比，見表3。

表2 輸送粘性介質(zhì)性能修正計算

表3 輸送粘性介質(zhì)性能對比

由表3可見，2種計算的結(jié)果均表面粘度會使離心泵的性能降低，粘度對流量、揚程的影響基本一致，對效率的影響最大。

經(jīng)驗修正計算值與仿真值間存在一定的誤差，但誤差較小，流量揚程誤差均不超過5%，效率誤差不超過10%，對于工程化的問題，這一誤差能夠滿足精度要求。

4 結(jié)論

1)輸送介質(zhì)的粘度對離心泵的性能影響比介質(zhì)的密度大，隨著介質(zhì)粘度的升高，泵的揚程會降低，耗功會增加，效率也會隨之降低，且降低得更多。粘度還會一定程度的改變泵的高效點，使高效點往小流量偏移。

2)針對工程問題，推薦了一種離心泵輸送粘液的經(jīng)驗修正計算方法，通過實例將應(yīng)用該方法計算的結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明，2種方法得到的粘液性能變化規(guī)律一致，二者誤差較小。經(jīng)驗修正計算方法能夠快速準(zhǔn)確的得到離心泵輸送粘液時的性能，滿足工程化的應(yīng)用需求。

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(武漢船用機械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

Simulation and Empirical Correction Contrastive Analysis of Cargo Pump Performance in Transportation of Viscous Liquid

SHEN Fei, YANG Qin, LUO Li, HUANG Shu-cai, WANG Jian-guo

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

With a specific speed of 69 submerged cargo pump as the research object, the pump’s transportation performance was simulated for water and 5 different oil mediums, to get the head curves and efficiency curves for all mediums. The results showed that the viscosity of the medium has a significant impact on the performance of centrifugal pump, as the viscosity increases the pump head is reduced, efficiency is reduced more quickly, and viscosity also alters the best efficiency point of the pump, make the point move to the small flow rate. For engineering issues, an empirical correction method for centrifugal pump transporting viscous liquid was recommended, by comparing the simulation results, it was found the empirical correction method can meet the needs of engineering applications.

submerged cargo pump; viscosity; performance curve; empirical correction

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.021

2016-09-07

工業(yè)和信息化項目(工信部聯(lián)裝[2013]411號)

沈飛(1987—)，男，學(xué)士，工程師研究方向:流體機械設(shè)計

U664.5

A

1671-7953(2017)01-0083-04

修回日期：2016-10-25