羅寶杰 ，華 路 ，杜寧江 ，張維紅 ，衛(wèi) 艷 ，任開宇 ，雷可銘 ，黃文光

（1.國網(wǎng)四川省電力公司廣元供電公司，四川廣元 628000；2.國網(wǎng)陜西省電力公司培訓(xùn)中心，陜西咸陽 712000；3.東南大學(xué)，江蘇南京 211189）

1 前言

雙吸雙流道泵實際運行過程中涉及氣固液三相的聯(lián)合作用，如汽蝕的發(fā)生與泥沙的磨損等。因其葉輪流道寬敞，出口寬度大，無堵塞性能好，抗纏繞能力佳等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于輸送含有固體顆粒懸浮物和纖維狀纏繞物的液體，兼具雙吸泵的大流量與雙流道泵的無堵塞、過流能力強，抗纏繞能力佳等優(yōu)點，尤其適用于高揚程大流量的工作場合，被大量應(yīng)用于城市排污，防洪排澇，農(nóng)田灌溉等工作場合［1～4］。

大多數(shù)學(xué)者是對單吸雙流道泵的研究，少見有關(guān)雙吸雙流道泵的研究成果的相關(guān)報道。由于泵內(nèi)的三相流動機理尚不完善，目前大多數(shù)學(xué)者研究氣固液三相流動時常將氣相作為離散相處理，并未考慮真實工況下泵內(nèi)汽蝕的發(fā)生。并且雙吸雙流道泵的研發(fā)歷史較短，實際生產(chǎn)主要基于經(jīng)驗與模型試驗，這將導(dǎo)致雙吸雙流道泵的研發(fā)周期長，成本高，運行穩(wěn)定性與高效性得不到保證?；谏鲜鲈颍疚牟捎肕ixture多相流模型，充分考慮相變汽蝕的作用，對一非對稱流道的雙吸雙流道泵進行氣固液三相流動特性分析。研究其氣固液三相體積分布規(guī)律以及液相速度-壓力分布特點，為今后的進一步優(yōu)化該類泵的水力設(shè)計與結(jié)構(gòu)提供一定的理論參考［5］。

2 計算模型與計算方法

2.1 計算模型基本參數(shù)

葉輪外徑D2=125 mm，上部進口直徑Ds=63 mm，下部進口直徑Dx=54 mm，出口寬度b2=31 mm，蝸殼基圓直徑D3=166 mm，蝸殼入口寬度b3=50 mm。額定流量Qr=32 m3/h，額定揚程Hr=11 m，額定轉(zhuǎn)速nr=2860 r/min，比轉(zhuǎn)數(shù)ns=115。

2.2 計算區(qū)域及計算網(wǎng)格

計算區(qū)域由上部進水管，下部進水管，出水管，葉輪，蝸殼和上下泵腔組成。全流道的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)141251，單元數(shù)514185。葉輪及網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 葉輪及網(wǎng)格

2.3 邊界條件與計算方法

采用壓力進口，質(zhì)量流量出口，上下吸入口的沙粒直徑取0.2 mm，固相所占比值為30%，氣相所占比值為0，液相比值為70%。多相流模型采用Mixture模型，考慮相間的滑移速度，考慮汽蝕的發(fā)生。氣液之間采用均質(zhì)多相流模型和Rayleigh-Plesset方程來模擬空泡的生長與潰滅，其中介質(zhì)的飽和蒸氣壓力為3574Pa，空泡的平均直徑為2 μm，水-空泡表面張力為0.074 N/m，參考壓力值為 0［6～8］。

3 外特性預(yù)測

通過數(shù)值模擬繪制出模型泵的Q-H曲線、Q-η曲線并與該泵的試驗數(shù)據(jù)對比，結(jié)果如圖2所示。從Q-H曲線、Q-η曲線可以看出，模擬值與試驗值基本吻合，變化趨勢一致、曲線過渡平穩(wěn)。模擬值略高于試驗值，這主要是因為數(shù)值模擬時未考慮模型泵的容積損失、水流和前后蓋板的摩擦損失等。雙吸雙流道泵流道寬敞、過流能力強，效率最高點出現(xiàn)在大流量工況區(qū)（1.2Qr）。最優(yōu)工況點的模擬揚程為10.9 m，試驗揚程為10.24 m，在最優(yōu)工況點，模擬值與試驗值的相對誤差為6.5%。由圖2還可以說明，在0.6Qr～1.2Qr工況區(qū)域，所選用的網(wǎng)格類型和湍流模型能夠較為準確地預(yù)測雙吸雙流道泵的外特性，具有較高的計算精度。

圖2 泵外特性對比分析

4 計算結(jié)果

4.1 靜壓分布

文中選取3個截面（x=0，15，-15 mm）進行分析，其中x=0 mm表示葉輪中截面，x=15 mm和x=-15 mm分別表示靠近葉輪的上、下蓋板內(nèi)表面的截面。圖3為不同截面靜壓分布云圖。

圖3 不同截面靜壓分布

從圖3可以看出，從葉輪的進口至出口，由于葉片的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動做功，壓力從進口到出口逐漸增大，由于蝸殼的匯流擴壓作用，流體的壓力逐漸趨于平衡。在同一半徑處，葉片工作面的壓力明顯大于葉片背面的壓力。

4.2 速度分布

圖4為不同截面液相相對速度分布。從圖4可以看出，葉輪進口處的流速相對較低，存在局部脫流與漩渦區(qū)，在下蓋板處表現(xiàn)尤為突出?？拷舷律w板內(nèi)表面的截面，由于受葉輪上下吸入口的流動影響較大，脫流漩渦區(qū)域更加明顯、范圍更寬廣，葉輪出口處動靜耦合交界面的相對速度分布較紊亂。葉輪出口處的流動狀態(tài)較為復(fù)雜，在葉輪流道的出口，流體沿葉輪的反向旋轉(zhuǎn)方向排出，與蝸殼中的主流在葉輪出口處混雜。

圖4 不同截面速度分布

4.3 汽蝕分布

圖5為不同截面氣相分布云圖。從圖5可以看出，汽蝕主要集中在葉片頭部幾何形狀急劇變化的區(qū)域，其中葉輪中截面與上蓋板內(nèi)表面的汽蝕區(qū)域相對較大。這是由于該葉輪無進口邊，其上下兩側(cè)的吸入口是依靠雙葉片與輪轂的雕塑曲面過渡形成，流體進入葉輪后繞流葉片頭部，流動方向急劇變化，存在繞流與沖擊損失。

圖5 不同截面氣相分布

從壓力分布云圖可以看出，表現(xiàn)為在葉片頭部存在一局部低壓區(qū)。從速度分布矢量圖可以看出，表現(xiàn)為在葉片頭部存在一局部漩渦區(qū)與脫流現(xiàn)象。因此優(yōu)化雙吸雙流道泵上下吸入口流道的幾何過渡形狀，不僅有利于改善泵的吸入性能，防止泵汽蝕的發(fā)生，而且有助于實現(xiàn)雙吸雙流道泵的高效、低噪，安全平穩(wěn)運行［9，10］。

4.4 固相分布

圖6為不同截面固相分布云圖。固相顆粒主要集中在以葉輪中截面為對稱面的上下蓋板處，葉輪流道進口處的固相顆粒體積濃度相對較大。在葉輪的中截面處，固相顆粒主要集中在與上吸入口相連流道葉片工作面的前半部分及與下吸入口相連流道的葉片頭部區(qū)域。因為這些地方都是流道幾何形狀急劇變化的區(qū)域，存在一定的脫流和漩渦現(xiàn)象［11～16］。

圖6 不同截面固相分布

4.5 不同計算方法時的靜壓分布

圖7為不同計算方法時的葉輪中截面靜壓分布云圖。其中圖7（a）是氣固液三相流計算結(jié)果，圖7（b）是固液兩相流計算結(jié)果，圖7（c）是氣液兩相流計算結(jié)果。這3種計算方法都采用Mixture多相流模型，只是有氣相參與時考慮汽蝕的作用。

圖7 不同計算方法時的靜壓分布

從圖7可以看出，同一截面不同計算方法的壓力分布趨勢基本相同，但氣固液三相流與液固兩相流相對氣液兩相流的葉輪出口壓力更高，壓力梯度更大。這是因為在相同的體積流量下，由于固相的存在使得上下吸入口的流體質(zhì)量流量增大，從而使得出口壓力升高。另一方面，由于汽蝕對流場的影響主要集中在葉輪頭部的局部低壓區(qū)，而固相對流場的影響則是對全流道整個流場的影響。從葉片頭部的低壓區(qū)域分布來看，由于氣固液三相流與氣液兩相流充分考慮汽蝕的作用，葉片頭部的低壓區(qū)范圍較液固兩相流時更為寬廣，汽蝕現(xiàn)象更為嚴重，但發(fā)生汽蝕的部位沒有改變。

5 結(jié)論

（1）由于非對稱流道的雙吸雙流道葉輪結(jié)構(gòu)形式特殊，其上下兩側(cè)的吸入口是依靠雙葉片與輪轂的復(fù)雜三維雕塑曲面過渡形成，導(dǎo)致其上下兩側(cè)的吸入性能較差，流體進入葉輪時繞流葉片頭部，流動方向急劇變化，存在繞流與沖擊損失，導(dǎo)致在葉片的頭部出現(xiàn)局部低壓漩渦區(qū)，最終演變?yōu)樵谌~片頭部發(fā)生汽蝕。

（2）氣相主要分布在葉片的頭部區(qū)域，固相主要分布在以葉輪中截面為對稱面的上下蓋板處。由于雙吸雙流道葉輪的流道不對稱，上下吸入口的幾何形狀不一，表現(xiàn)為在同一截面的2個流道以及靠近葉輪上下蓋板的2個截面的固相體積濃度分布不一。

（3）不同計算方法，壓力分布趨勢相同。考慮固相顆粒作用時，葉輪出口壓力更高，壓力梯度更大?？紤]汽蝕作用時，葉片頭部的低壓區(qū)范圍更寬廣，汽蝕現(xiàn)象更為嚴重，但發(fā)生汽蝕的部位不變。

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