白 利,邱 勝,劉小兵,安滿意

(1.西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,四川成都610039；2.鄭州電力機(jī)械廠,河南鄭州450000)

不同工況下雙吸泵湍流特性分析

白 利1,邱 勝1,劉小兵1,安滿意2

(1.西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,四川成都610039；2.鄭州電力機(jī)械廠,河南鄭州450000)

為了研究雙吸泵內(nèi)部流場在不同流量工況下的湍流特性,選取SSTk-ω湍流模型,利用ANSYS CFX軟件對雙吸泵內(nèi)部流場進(jìn)行多流量工況數(shù)值模擬,得到了不同工況下雙吸泵葉輪以及蝸殼流道內(nèi)的湍流流場。分析結(jié)果表明：葉輪和蝸殼內(nèi)的湍動能在設(shè)計(jì)工況時最弱,渦粘系數(shù)同湍動能呈正相關(guān)；流量偏離設(shè)計(jì)工況越大則湍動能越大；正向渦量的存在有助于葉片與流體之間的能量轉(zhuǎn)換,而葉輪流道內(nèi)的Z向渦量隨流量的增大而減小。

雙吸泵；湍動能；渦粘系數(shù)；渦量

0 引 言

雙吸泵憑借其高效率、大流量等諸多優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于大型排灌工程[1]。湍流是流體機(jī)械中常見的一種流動狀態(tài),從物理結(jié)構(gòu)上分析,湍流是大小不同的渦組合而成的一種流動狀態(tài)[2]。

隨著流體力學(xué)的不斷發(fā)展,人們對湍流的研究愈加深入。朱榮生等對核電站上充泵進(jìn)行全流道數(shù)值模擬,分析了各級葉輪內(nèi)的湍動能分布[3]。吳曉晶等研究了混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片優(yōu)化前后葉片正背面的渦量分布[4]。劉建瑞等對消防用多級泵內(nèi)部流場的湍動能進(jìn)行了分析[5]。王銀亮等分析了排水管道內(nèi)部的湍動能分布規(guī)律以及影響因素[6]。

目前,可查閱的文獻(xiàn)中關(guān)于湍流的分析主要基于各種管道以及離心泵等,而對雙吸泵內(nèi)部湍流流場的分析較少。流速是決定湍流流態(tài)的主要因素之一,故本文采用SSTk-ω湍流模型對雙吸泵在多個流量工況下的湍流特性進(jìn)行分析。

1 計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型

數(shù)值模擬所采用的雙吸泵基本參數(shù)為：流量Q=864 m3/h,揚(yáng)程H=17.8 m,轉(zhuǎn)速n=1 480 r/min,NPSHr≤5 m,兩葉輪背靠背對稱布置,葉輪進(jìn)口直徑為200 mm,葉輪外徑為280 mm。

全流道分5大部分,即葉輪、吸水室、蝸殼以及進(jìn)口延伸段和出口延伸段,采用ICEM軟件對雙吸泵全流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格總數(shù)為2 600 000,每一部分的網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。

圖1 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

計(jì)算時,環(huán)境參考壓力取一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,邊界條件采用壓力進(jìn)口和質(zhì)量流量出口,進(jìn)口的相對壓力為0,并通過改變出口的質(zhì)量流量來實(shí)現(xiàn)多工況的計(jì)算。

圖2 不同流量下觀察平面上的湍動能分布情況

1.2 湍流方程

流體力學(xué)所研究的任何流動問題都遵守三大守恒定律,即能量守恒、動量守恒以及質(zhì)量守恒。此外,湍流模型選取得是否恰當(dāng)直接影響到數(shù)值模擬的結(jié)果,本文選用SSTk-ω模型對雙吸泵內(nèi)部流場進(jìn)行湍流計(jì)算。SSTk-ω模型主要描述了基于湍動能k和湍流脈動頻率ω的輸運(yùn)方程,由于該模型考慮了湍流剪切應(yīng)力的作用,因此計(jì)算精度更高,可信度更強(qiáng)。其輸運(yùn)方程為

(1)

(2)

式中,k為湍動能；ω為湍流脈動頻率；ρ為液體密度；u為速度；ΓK為湍動能擴(kuò)散系數(shù)；Gk、Gω、Yk、Yω、Sk、Sω、Dω均為相關(guān)產(chǎn)生項(xiàng)以及用戶自定義的源項(xiàng)。

2 湍流結(jié)果分析

2.1 湍動能分析

湍動能計(jì)算公式為

(3)

式中,u為平均速度；l為湍流強(qiáng)度。通過分析某一平面上的湍動能分布圖,可知能量較易損失的位置[7]。取雙吸泵中Z=0.04 m的葉輪和蝸殼平面為觀察平面,該平面上的湍動能分布情況如圖2所示。

通過比較不同流量下觀察平面上的湍動能云圖可知,設(shè)計(jì)工況下的湍動能最小,小流量工況時,流量越小則湍動能越大,而大流量工況時,流量越大則湍動能越大。湍動能的大小同平均速度和湍流強(qiáng)度有關(guān),小流量工況下,雙吸泵內(nèi)部流動復(fù)雜,流量越小,所導(dǎo)致的湍流強(qiáng)度越大,因此0.6Q下的湍動能高于0.8Q下的湍動能；大流量工況下,流量越大則雙吸泵內(nèi)部的平均流速越大,所以1.4Q下的湍動能大于1.2Q下的湍動能；設(shè)計(jì)工況下,其內(nèi)部平均流速明顯低于大流量工況下的平均流速,因此設(shè)計(jì)工況下具有最小的湍動能。

由圖2可知,設(shè)計(jì)工況下觀察平面上的湍動能分布較為均勻。0.6Q時湍動能幾乎分布于整個觀察平面上,則此時葉輪和蝸殼處均易發(fā)生能量損失,流量增加至0.8Q時,觀察平面上的湍動能分布區(qū)域明顯減小。

如圖3為沿葉輪出水圓周方向上的湍動能變化情況。

圖3 不同流量下葉輪出水圓周上的湍動能值

由圖3可知,觀察平面出水圓周上的湍動能基本上呈周期性變化,設(shè)計(jì)工況和大流量工況下的周期性規(guī)律較為明顯；而小流量工況下的周期性較差,波峰和波谷非常明顯,這可能是特征點(diǎn)相對于蝸殼隔舌位置不同所導(dǎo)致的差異。

如圖4為葉片正背面出水邊上的湍動能隨Z坐標(biāo)值的變化情況。由圖4可知,葉片背面的湍動能大于工作面上的湍動能,并且葉片出水邊中部的湍動能最小,而靠近前后蓋板處的湍動能逐漸增大。因?yàn)樵娇拷诿嫣?流層所受剪切應(yīng)力越大,相應(yīng)地湍動能也就越大。

圖5 不同流量下觀察平面上的渦粘系數(shù)分布情況

圖6 不同流量下觀察平面上的Z向渦量分布情況

圖4 設(shè)計(jì)工況下葉片出水邊的湍動能變化

2.2 渦粘系數(shù)分析

在求解湍流時,SSTk-ω湍流模型作為一種渦粘模型,會引入渦粘系數(shù)(又稱湍動粘度)。同樣選取如圖2所示的觀察平面,分析不同流量下觀察平面上的渦粘系數(shù)分布情況,如圖5所示,以研究雙吸泵內(nèi)部流場的湍流粘性。湍流粘性并非流體本身的物理屬性,而主要用于反應(yīng)流體的流動狀態(tài)。

將圖5結(jié)合圖2分析可知,觀察平面上渦粘系數(shù)的分布情況同湍動能的分布情況非常相似。因?yàn)闇u粘模型中渦粘系數(shù)同雷諾應(yīng)力項(xiàng)有關(guān),而雷諾應(yīng)力項(xiàng)又同平均速度梯度有關(guān),平均速度梯度又同湍動能有關(guān),同時結(jié)合圖5和圖2的渦粘系數(shù)以及湍動能分布規(guī)律可知,渦粘系數(shù)與湍動能呈正相關(guān),這也就說明了在湍動能較大的區(qū)域內(nèi),其湍流粘性也就越大,能量耗散也就越快。

2.3 渦量分析

取Z軸為旋轉(zhuǎn)軸,根據(jù)右手法則可知葉輪的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)閆軸正方向,渦量是速度的旋度,同樣遵循右手定則。當(dāng)Z向渦量為正時,表明渦量同旋轉(zhuǎn)角速度的方向相同,葉片表面流體的耗散損失會降低,同時有助于葉輪與流體之間的能量交換；當(dāng)Z向渦量為負(fù)時,渦量與旋轉(zhuǎn)角速度的方向相反,從而增大流體的耗散損失,不利于能量轉(zhuǎn)換[8]。圖6展示了不同流量下Z=0.04 m葉輪平面上的渦量分布情況。

由圖6可知,隨著流量的增加,葉輪流道內(nèi)+Z向渦量值和-Z向渦量值均有所減小,葉片表面的渦量大都為+Z向渦量,+Z向渦量有助于葉片與流體之間的能量轉(zhuǎn)換,所以小流量工況時,流體更容易獲得葉片所傳遞的能量,從而達(dá)到更高的揚(yáng)程,而大流量工況時的能量轉(zhuǎn)換較弱,因此大流量所對應(yīng)的揚(yáng)程較低[9]。

3 結(jié) 論

通過分析五個不同流量工況下雙吸泵內(nèi)部流場的湍流特性,可得出以下結(jié)論：

(1)設(shè)計(jì)工況下,雙吸泵流道內(nèi)的湍動能強(qiáng)度最小；小流量工況下,湍動能隨流量的減小而增大,并且分布于葉輪和蝸殼流道；大流量工況下,湍動能隨流量的增大而增大。

(2)由于壁面剪切應(yīng)力的作用,導(dǎo)致葉片上靠近前后蓋板處的湍動能較大,而葉片中部受剪切應(yīng)力的影響較弱,所以湍動能較小。

(3)雙吸泵內(nèi)渦粘系數(shù)的分布規(guī)律同湍動能的分布規(guī)律基本一致,渦粘系數(shù)同湍動能呈正相關(guān)。

(4)隨著流量的增加,葉輪流道內(nèi)Z向渦量逐漸減小。流量越小,葉片表面的+Z向渦量越大,葉片與流體之間的能量交換越強(qiáng),所以小流量對應(yīng)高揚(yáng)程。

[1]原雯. 雙吸泵內(nèi)部流場性能研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 大慶： 東北石油大學(xué), 2015．

[2]王福軍. 計(jì)算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社, 2004．

[3]朱榮生, 王韜, 付強(qiáng), 等. 基于CFD技術(shù)的核電站上充泵全流場數(shù)值模擬[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2012(1): 30- 34．

[4]吳曉晶, 吳玉林, 張樂福, 等. 混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的渦量場分析[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2008(3): 132-136, 131．

[5]劉建瑞, 張立勝, 向宏杰, 等. SXB型消防用多級泵全流場CFD數(shù)值模[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2010(5): 394- 397．

[6]王銀亮, 艾海男, 黃維, 等. 排水管道內(nèi)湍動能分布特性及影響因素[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2015(8): 3637- 3642．

[7]趙立峰. 射流式離心泵內(nèi)部流動及空化特性研究[D]. 鎮(zhèn)江： 江蘇大學(xué), 2016．

[8]李曉俊. 離心泵葉片前緣空化非定常流動機(jī)理及動力學(xué)特性研究[D]. 鎮(zhèn)江： 江蘇大學(xué), 2013．

[9]施衛(wèi)東, 季磊磊, 李偉, 等. 不同流量工況下斜流泵內(nèi)部流場PIV試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2016(6): 27- 33．

(責(zé)任編輯高 瑜)

AnalysisofTurbulentCharacteristicsofDouble-SuctionPumpunderDifferentOperationConditions

BAI li1, QIU Sheng1, LIU Xiaobing1, AN Manyi2
(1. School of Energy and Power Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, Sichuan, China;2. Electric Power Machinery Factory of Zhengzhou, Zhengzhou 450000, Henan, China)

In order to study the turbulent characteristics of internal flow field under different flow conditions in a double-suction centrifugal pump, the SSTk-ωturbulence model is selected and the ANSYS CFX software is used to simulate the flow field of pump. The results show that: (a) the turbulent kinetic energy in impeller and spiral case are weakest under design condition, and the eddy viscosity coefficient is positively correlated to turbulent kinetic energy; (b) the greater the flow deviation from design conditions, the greater the turbulent kinetic energy is; (c) the existence of positive vorticity contributes to the energy conversion between blade and fluid, and the vorticity atZdirection in impeller flow channel will decrease with the increase of flow rate．

double-suction pump; turbulent kinetic energy; eddy viscosity coefficient; vorticity

2016- 09- 20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51279172);西華大學(xué)省部級學(xué)科平臺開放課題(szjj2016- 004)；西華大學(xué)重點(diǎn)科研基金資助項(xiàng)目(Z1510417)

白利(1993—),女,四川梓潼人,碩士研究生,研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械流動理論、數(shù)值及實(shí)驗(yàn)研究；劉小兵(通訊作者)．

TH311

：A

：0559- 9342(2017)06- 0076- 04