俞翼翔，謝 令，唐黎明，陳光明

（浙江大學(xué)制冷與低溫研究所，浙江省制冷與低溫技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310027）

1 前言

泵是一種以輸送流體或使液體增壓為目的的機(jī)械，是一種以液體為工作介質(zhì)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的裝置。泵作為通用機(jī)械之一，在日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、電力、船舶、紡織、國(guó)防等部門中發(fā)揮著重要作用［1］。根據(jù)美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的調(diào)查，當(dāng)前泵系統(tǒng)耗電量大約為全球工業(yè)總用電量的20%［2］。和國(guó)外相比，我國(guó)自行生產(chǎn)的泵類產(chǎn)品效率平均低3%～5%［3］。在能源危機(jī)日益嚴(yán)峻，節(jié)能減排勢(shì)在必行的大環(huán)境下，泵的節(jié)能研究至關(guān)重要。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家為了改善泵的節(jié)能性能提出了諸多新型泵結(jié)構(gòu)并在此基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)，但是取得的效果并不是很突出［4～7］。浙江大學(xué)制冷與低溫研究所提出了一種新型的液體輸送泵，該輸送泵通過(guò)高低配盤以及轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)液體從低壓區(qū)輸送到高壓區(qū)的目的［8］。本文運(yùn)用CFD對(duì)這種新型液體輸送泵進(jìn)行建模研究，模擬測(cè)試新型液體輸送泵的一些基本性能，對(duì)新型液體輸送泵的試驗(yàn)研究以及結(jié)構(gòu)改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)意義。

2 新型液體輸送泵介紹

本文所提出的新型液體輸送泵的工作原理如圖1所示。

圖1 新型液體輸送泵工作原理示意

該液體輸送泵泵體主要分為3部分：與低壓腔相連的低壓區(qū)、轉(zhuǎn)子通道、與高壓腔相連的高壓區(qū)。其中，轉(zhuǎn)子通道同時(shí)起著周期性隔離高低壓腔壓力和間歇性平衡高低壓腔壓力的作用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)液體的輸送。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)交替與高低壓腔對(duì)接。首先，低壓液體通過(guò)低壓進(jìn)液管進(jìn)入低壓腔；當(dāng)轉(zhuǎn)子與低壓腔對(duì)接時(shí)，轉(zhuǎn)子內(nèi)的氣體壓力與低壓腔的壓力進(jìn)行平衡，低壓腔內(nèi)的液體由于重力作用進(jìn)入轉(zhuǎn)子通道；由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，一定量的液體進(jìn)入轉(zhuǎn)子通道后，轉(zhuǎn)子離開與低壓腔對(duì)接的位置并與低壓腔隔離后逐漸與高壓腔對(duì)接，轉(zhuǎn)子內(nèi)壓力逐漸與高壓腔內(nèi)的壓力平衡，轉(zhuǎn)子內(nèi)的液體通過(guò)重力自由下落至高壓腔內(nèi)；高壓腔內(nèi)的液體通過(guò)高壓出液口流入高壓儲(chǔ)液罐。此為新型液體輸送泵的一個(gè)工作循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了液體從低壓輸送到高壓的目的。

這種新型液體輸送泵的輸送原理與傳統(tǒng)液體輸送泵最大的不同在于傳統(tǒng)液體輸送泵是通過(guò)對(duì)液體加壓來(lái)實(shí)現(xiàn)液體從低壓到高壓的輸送，新型液體輸送泵主要是通過(guò)液體的重力實(shí)現(xiàn)低壓到高壓的輸送。但是新型液體輸送泵需要一個(gè)外接的高壓源。相比電能，高壓源更為廉價(jià)，可以通過(guò)低品位熱能得到，因此這種泵的原理十分值得關(guān)注。

傳統(tǒng)液體輸送泵對(duì)液體加壓的過(guò)程消耗電能巨大，而新型液體輸送泵的主要耗能在于轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)耗能，只需克服轉(zhuǎn)子與高/低配盤之間的摩擦阻力，與傳統(tǒng)液體輸送泵耗能相比較，所需的電能更少，因此新型液體輸送泵擁有較大的節(jié)能潛力。

3 CFD模型建立

CFD計(jì)算具有適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用面廣等優(yōu)點(diǎn)，又由于其很大程度上不受物理模型和試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南拗?，CFD計(jì)算現(xiàn)在越來(lái)越成為預(yù)測(cè)和指導(dǎo)試驗(yàn)的重要手段。由于本液體輸送泵屬于一種新型的泵形式，在研究過(guò)程中結(jié)合CFD計(jì)算來(lái)優(yōu)化結(jié)構(gòu)以及指導(dǎo)試驗(yàn)方面具有較大的價(jià)值。

本文中的CFD計(jì)算采用SolidWorks進(jìn)行建模，導(dǎo)入DM，運(yùn)用ICEM的O型塊劃分全六面體網(wǎng)格，最后導(dǎo)入Fluent計(jì)算分析。本文模擬的過(guò)程中包含轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題，因此在模擬過(guò)程中涉及動(dòng)網(wǎng)格的生成，需要采用Fluent中的滑動(dòng)網(wǎng)格模型。

3.1 模型假設(shè)及幾何結(jié)構(gòu)

為了在建模過(guò)程中簡(jiǎn)化計(jì)算同時(shí)對(duì)模擬結(jié)果影響不大的情況下，做出如下假設(shè)：

（1）轉(zhuǎn)子通道與低壓配流孔對(duì)接后，通道內(nèi)氣體的高壓能夠經(jīng)平衡孔快速平衡，因此可以認(rèn)為液體從低壓配流孔輸送到轉(zhuǎn)子通道中的過(guò)程為等壓過(guò)程；

（2）轉(zhuǎn)子通道在與高壓配流孔對(duì)接的時(shí)候，通道內(nèi)液體由于壓力的平衡能夠在自身重力的作用下經(jīng)高壓配流孔完全地進(jìn)入高壓腔內(nèi)，這樣液體輸運(yùn)能力就取決于轉(zhuǎn)子通道與低壓配流孔的對(duì)接過(guò)程。

在以上假設(shè)下，建立的3D模型見(jiàn)圖2。

圖2 轉(zhuǎn)子通道和低配盤的3D模型

3.2 控制方程

計(jì)算流體力學(xué)的基礎(chǔ)是守恒方程。在輸送流體泵模型中，主要包含質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程以及動(dòng)量守恒方程，其方程形式如下所示：

式中 ρ——流體密度

u,v,w——流體在x,y,z方向上的速度

式中 p——靜壓

τij——應(yīng)力張量

ρgi，F(xiàn)i——i方向上重力及外部體積力

式中 keef——有效導(dǎo)熱系數(shù)

Jj——組分j的擴(kuò)散流量

Sh——化學(xué)反應(yīng)熱以及其他體積熱源項(xiàng)

3.3 邊界條件及計(jì)算參數(shù)

模擬過(guò)程中采用的邊界條件以及計(jì)算參數(shù)介紹如下：

（1）模擬中輸送的液體選用水，高壓氣體選用空氣，水和空氣之間的表面張力取0.072 n/m［9］。

（2）低壓配流孔和平衡孔上表面分別與低壓儲(chǔ)液罐的上下相連，因此壓力為低壓壓力值且數(shù)值保持不變，設(shè)此為壓力入口邊界；低壓配流孔和平衡孔下表面在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中與轉(zhuǎn)子通道的上表面對(duì)接，實(shí)現(xiàn)氣液交換，這3個(gè)表面皆為interface邊界，其他表面均設(shè)為wall邊界。

（3）初始狀態(tài)下，低壓配流孔、平衡孔、轉(zhuǎn)子通道壓力平衡，都為低壓壓力值，低壓配流孔充滿液體，轉(zhuǎn)子通道以及平衡孔內(nèi)充滿氣體。

（4）壓力采用PRESTO離散格式，動(dòng)量采用二階迎風(fēng)格式、體積分?jǐn)?shù)則采用一階迎風(fēng)格式。

（5）質(zhì)量、速度、動(dòng)量及體積分?jǐn)?shù)的收斂殘差判別依據(jù)設(shè)為10-3。

4 模擬結(jié)果分析與討論

根據(jù)本文以上模型，得出了對(duì)接時(shí)間對(duì)輸送液體質(zhì)量的影響、轉(zhuǎn)子材料（親水性、疏水性）對(duì)輸送液體質(zhì)量的影響以及圓形和扇形兩種通道形式對(duì)輸送液體的影響。

4.1 輸送液體質(zhì)量隨對(duì)接時(shí)間的影響

圓形通道轉(zhuǎn)速為85 r/min時(shí)的對(duì)接過(guò)程中，液體輸送質(zhì)量隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。

圖3 輸送液體質(zhì)量隨對(duì)接時(shí)間的影響

模擬結(jié)果顯示，當(dāng)轉(zhuǎn)子通道與低配盤通孔剛開始對(duì)接時(shí)，液體并沒(méi)有直接進(jìn)入到轉(zhuǎn)子通道中，這是由于液體與通道之間存在表面張力，同時(shí)，液體重力并不能完全克服表面張力，形成液塞現(xiàn)象，因此，轉(zhuǎn)子內(nèi)的液體流量為零。隨著對(duì)接時(shí)間增長(zhǎng)，對(duì)接面積逐漸增大，重力的影響逐漸超過(guò)了表面張力，液體逐漸流入通道，并且存在一個(gè)加速流入的過(guò)程。當(dāng)轉(zhuǎn)子通道與低配盤通孔完全對(duì)接時(shí)，液體流量達(dá)到最大值，之后隨之縮小，直至為零。

由于液體輸送過(guò)程中存在液塞現(xiàn)象，因此轉(zhuǎn)子通道的尺寸有一個(gè)最小半徑，當(dāng)轉(zhuǎn)子通道半徑小于這個(gè)最小半徑時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)液體的輸送。

4.2 同一通道形式下轉(zhuǎn)子材料對(duì)輸送流體質(zhì)量的影響

氣液交換過(guò)程起始和結(jié)束時(shí)會(huì)存在一個(gè)液塞過(guò)程，主要是由于表面張力引起的，而不同材料的轉(zhuǎn)子，表面張力不同，因此不同材料對(duì)液體輸送的影響不同。在模擬計(jì)算中，轉(zhuǎn)子材料對(duì)輸送流體質(zhì)量的影響，主要是通過(guò)改變轉(zhuǎn)子表面接觸角（模擬中采用30°和120°），觀察對(duì)接過(guò)程，得出轉(zhuǎn)子輸送液體質(zhì)量隨時(shí)間的變化。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)的結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同材料圓形通道轉(zhuǎn)子輸送液體質(zhì)量隨時(shí)間變化

轉(zhuǎn)子材料的不同（親水與疏水）影響的主要是實(shí)現(xiàn)汽液交換與對(duì)接過(guò)程的時(shí)間差（液塞時(shí)間長(zhǎng)短）。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，親水轉(zhuǎn)子的氣液交換時(shí)間要早于疏水材料的氣液交換過(guò)程。在圖中呈現(xiàn)的結(jié)果就是疏水材料與親水材料相比，克服摩擦阻力所需的時(shí)間更長(zhǎng)。由于對(duì)接總時(shí)長(zhǎng)相一致，親水材料總液體輸運(yùn)量相較疏水材料也更多。扇形結(jié)構(gòu)有類似規(guī)律。

4.3 不同通道形式對(duì)輸送流體質(zhì)量的影響

在此次模擬中，選用的通道形式有扇形和圓形2種，不同轉(zhuǎn)子通道形式對(duì)輸送液體質(zhì)量的影響見(jiàn)圖5。

圖5 不同通道形式對(duì)輸送液體質(zhì)量的影響

在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，扇形和圓形通道的流體輸送量基本一致，可以認(rèn)為在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，通道的對(duì)接時(shí)間足夠長(zhǎng)，從而可以忽略扇形通道和圓形通道不同通道形式之間對(duì)接時(shí)間的影響。而當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到一定程度后，對(duì)接時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)對(duì)流體流量造成較大影響，而扇形通道的無(wú)流量運(yùn)輸對(duì)接時(shí)間（液塞時(shí)間）比圓形短，因此，在一定的轉(zhuǎn)速后，扇形通道對(duì)液體的輸送量要大于圓形。同時(shí)每種通道形式達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，每個(gè)對(duì)接過(guò)程時(shí)間過(guò)短，無(wú)法使得通道得到全部有效利用，因此流量輸運(yùn)達(dá)到一個(gè)極值后下降。因此每種通道形式均存在一個(gè)最佳轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速達(dá)到最佳前，由于通道均得到全部利用，隨著轉(zhuǎn)速增加，流量幾乎呈線性增長(zhǎng)；轉(zhuǎn)速大于最佳轉(zhuǎn)速后，繼續(xù)增大轉(zhuǎn)速，輸送的液體流量反而減小。

5 結(jié)論

（1）液體輸送周期始末存在一個(gè)明顯的克服表面張力的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，液體輸送量基本為0，而在克服表面張力之后會(huì)有一個(gè)明顯加速下流以及一個(gè)減速下流的過(guò)程。

（2）輸送的液體與轉(zhuǎn)子材料的接觸角對(duì)液體輸送有一定的影響，表現(xiàn)在對(duì)接過(guò)程中克服表明張力所需時(shí)間的長(zhǎng)短，一般接觸角大于90°（相親）的材料液體輸送性能優(yōu)于接觸角小于90°（相疏）。

（3）新型液體輸送泵轉(zhuǎn)子通道形式對(duì)于液體輸送質(zhì)量具有十分重要的作用，同樣的轉(zhuǎn)子半徑下，扇形通道與其他形狀的通道形式相比，具有最優(yōu)的液體輸送效率。

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