柴立平，曹林松，李　躍，俞嘉楓，燕　浩

(1.合肥工業(yè)大學(xué)化工機(jī)械研究所，合肥 230009； 2.合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，合肥 230009)

0　引　言

微型高速離心泵一般用來為激光裝置輸送冷卻液。受工作空間及能量供給方式限制，微型高速離心泵一般具有尺寸小、轉(zhuǎn)速高、流量低等特點(diǎn)。但由于高轉(zhuǎn)速的原因，離心泵在運(yùn)行時(shí)具有不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性主要是由于葉輪進(jìn)口處的回流旋渦引起的[1-4]。葉輪進(jìn)口處回流會(huì)降低泵的效率，惡化葉輪進(jìn)口條件，誘導(dǎo)引發(fā)振動(dòng)和噪聲，甚至產(chǎn)生汽蝕破壞過流部件，降低泵的使用壽命[5,6]。因此減小離心泵葉輪進(jìn)口處的回流量對(duì)于泵的性能提升具有一定意義。

國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用了很多方法對(duì)離心泵葉輪進(jìn)口處回流進(jìn)行控制。劉甲凡[7]提出了在進(jìn)水管中安裝阻旋片，可以防止進(jìn)水管中預(yù)旋的傳播。P.Cooper等[8]設(shè)計(jì)了一種回流器，可以分離主流與回流，只將回流從葉輪引出，當(dāng)回流的能量消散后，再讓其流回進(jìn)水管。這種設(shè)計(jì)可以避免在葉輪進(jìn)口處產(chǎn)生旋渦，從而優(yōu)化葉輪進(jìn)口條件。宋文武等[9]提出了一種在進(jìn)水管前方設(shè)置孔板的誘導(dǎo)輪，通過數(shù)值模擬得出孔板可以改善葉輪進(jìn)口處回流旋渦，減小誘導(dǎo)輪的低壓區(qū)，從而提高高速泵的水力性能。陳英華等[10]為了縮小進(jìn)水管過流面積，設(shè)置了縮流板，可以改善入流條件。張金鳳等[11]在葉輪進(jìn)口處注入高壓水以改善入流流線分布，削弱回流強(qiáng)度。林剛等[12]通過數(shù)值模擬的方式來研究葉輪的幾何參數(shù)對(duì)回流特性的影響，結(jié)果表明隨著葉輪進(jìn)口邊向前延伸，葉輪進(jìn)口處回流的強(qiáng)度有所減弱，離心泵性能得到提升。

牟介剛等[13]研究了葉輪口環(huán)間隙與汽蝕余量的關(guān)系，結(jié)果表明減小口環(huán)間隙可以優(yōu)化入口流態(tài)，從而提高離心泵汽蝕性能。

目前，相關(guān)學(xué)者大多通過改變進(jìn)水管或葉輪進(jìn)口附近結(jié)構(gòu)來減小回流對(duì)離心泵性能的影響。而本文提出了一種前置葉片式葉輪，在葉輪前蓋板處添加前置葉片，依靠葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，使前腔中的回流重新返回到葉輪中，從而減小葉輪進(jìn)口處的回流量。隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的迅速發(fā)展，可以避免使用經(jīng)驗(yàn)公式修正容積損失，可信度得到提升。因此本文對(duì)離心泵進(jìn)行數(shù)值模擬來研究前置葉片式葉輪對(duì)離心泵性能的影響。

1　研究對(duì)象

1.1　模型建立

研究對(duì)象為一臺(tái)高速離心泵，其葉片數(shù)Z=6，比轉(zhuǎn)速為ns

=62；設(shè)計(jì)參數(shù)：流量Qd=3 L/min,揚(yáng)程H=6.5 m，轉(zhuǎn)速為n=10 000 r/min。泵內(nèi)部計(jì)算域的三維模型采用Pro/E軟件繪制。其計(jì)算域模型爆炸視圖如圖1所示。

圖1　計(jì)算域模型爆炸視圖Fig.1 Exploded figure of computational domain

1.2　方案設(shè)計(jì)

為探究不同前置葉片型式對(duì)離心泵性能的影響，計(jì)算模型采用以下3種方案：

方案一：離心泵葉輪不做處理，如圖2(a)所示；

方案二：離心泵葉輪前蓋板處增置直葉片且葉片數(shù)為6，如圖2(b)所示；

方案三：離心泵葉輪前蓋板處增置圓柱形葉片且葉片數(shù)為6，如圖2(c)所示。

圖2　3種方案葉輪型式Fig.2 Impeller type of three schemes

1.3　網(wǎng)格劃分及無關(guān)系驗(yàn)證

本文采用ICEM CFD軟件對(duì)計(jì)算域進(jìn)行前處理，計(jì)算域包括：進(jìn)口延伸段，間隙，葉輪和蝸殼，且均采用六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格的數(shù)量一般會(huì)影響計(jì)算精度及仿真結(jié)果，所以為了確定合適的網(wǎng)格數(shù)，要進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)系性分析，如圖3所示。如圖可以看出隨著計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)的增加，泵揚(yáng)程逐漸上升最后趨于平穩(wěn)。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過90萬后，泵的揚(yáng)程基本穩(wěn)定不變，計(jì)算結(jié)果受網(wǎng)格數(shù)影響較小。因此，最終確定模型的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為95萬。

圖3　網(wǎng)格數(shù)與泵揚(yáng)程變化的關(guān)系Fig.3 Relationship between pump head and the number of grid

1.4　湍流模型選取及邊界條件

本文的數(shù)值模擬采用三維不可壓縮雷諾時(shí)均N-S方程，并選用Shear Stress Transport(SST)湍流模型使方程封閉。采用有限體積法進(jìn)行數(shù)值離散，其中擴(kuò)散性采用二階中心差分格式離散，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散。SSTk-ω模型是在BSLk-ω模型的基礎(chǔ)上改進(jìn)了渦黏性的表達(dá)式，以考慮湍流主切應(yīng)力主項(xiàng)的影響，這樣，SSTk-ω模型使得對(duì)逆壓梯度流動(dòng)的預(yù)測(如分流)得到了重要的改進(jìn)。

計(jì)算域的進(jìn)口邊界條件選擇總壓(Total Pressure)入口條件作為邊界條件類型，并輸入具體的值1 atm；計(jì)算域出口邊界條件選擇質(zhì)量流量(Mass Flow Rate)作為邊界條件類型，取值根據(jù)模擬的工況流量確定；轉(zhuǎn)子區(qū)域選用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，其旋轉(zhuǎn)速度為泵轉(zhuǎn)速；近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)方法進(jìn)行處理。

2　計(jì)算結(jié)果及分析

2.1　外特性分析

離心泵的外特性性能曲線是一種評(píng)判離心泵的性能優(yōu)越性的方法，其能夠綜合、直觀和全面地得表達(dá)被測量泵的各項(xiàng)重要性能。針對(duì)不同的優(yōu)化方案，分別對(duì)3種種方案下的0.2Q、0.4Q、0.6Q、0.8Q、1.0Q、1.2Q、1.4Q七種工況進(jìn)行數(shù)值模擬。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的處理，得到了泵的流量Q-揚(yáng)程H、流量Q-效率h曲線，如圖4所示。

圖4　泵的外特性曲線圖Fig.4 Characteristic curve of pump

由圖4可以看出3種方案的揚(yáng)程都隨著流量的增大而減小，遵循離心泵性能曲線的變化規(guī)律。各工況下，方案二和方案三的揚(yáng)程較方案一的揚(yáng)程均有不同程度的提高，在小流量工況下提高的幅度比較明顯，提高的幅度最高達(dá)到了7%，在大流量工況下?lián)P程提高的幅度較小，為3%左右。其原因可能是小流量工況下，回流量對(duì)泵性能影響較大；隨著流量的增大，回流量對(duì)泵性能的影響也隨之減弱。從圖中還可以看出，當(dāng)流量小于標(biāo)準(zhǔn)工況流量時(shí)，方案三的揚(yáng)程要大于方案二；而流量大于標(biāo)準(zhǔn)工況流量時(shí)，方案三的揚(yáng)程要小于方案二。三種方案下的效率均先升高再降低，并都在標(biāo)準(zhǔn)工況流量下達(dá)到了最大值。方案二和方案三的效率在各工況流量下均大于方案一，提升幅度最大為6%。而方案二和方案三在各工況流量下的效率相近，除了流量為0.2Qd時(shí)，方案三的效率要略大于方案二。

綜合以上的分析可以看出，在離心泵前蓋板處添加前置葉片對(duì)離心泵的性能有一定的提升作用。

2.2　試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)方案一進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。Q-H和Q-η曲線的試驗(yàn)值(EXP)與仿真值(CFD)能較好吻合，額定工況下誤差分別為3%和4%，這主要是因?yàn)橐环矫姹迷阼T造過程中可能與模型存在一定誤差，另一方面泵內(nèi)存在機(jī)械損失、圓盤損失、容積損失和水力損失等導(dǎo)致泵效率下降。由圖5可知，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性。

圖5　模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較Fig.5 Comparison of simulation results and experimental results

2.3　內(nèi)部流場分析

圖6為3種方案在標(biāo)況流量下YZ面渦量分布圖。渦量是速度場的旋度，且本文僅考慮Z方向的旋度即：

(1)

圖6　3種方案YZ面渦量圖(單位：s-1)Fig.6 YZ surface vorticity diagram of three schemes

渦量通常用來度量旋渦流動(dòng)的大小和方向。由泵前腔泄露的流體產(chǎn)生的回流在葉輪的進(jìn)口與主流混合，惡化了葉輪進(jìn)口條件，在也葉輪進(jìn)口區(qū)域出現(xiàn)旋渦。由圖6可以看出，方案一的葉輪進(jìn)口附近的渦量區(qū)域最大，方案二和方案三的渦量區(qū)域較小，方案二的渦量區(qū)域最小。說明在離心泵葉輪前蓋板處添加前置葉片，可以使由于回流沖擊主流造成的旋渦的數(shù)量減少，可以使葉輪進(jìn)口處由于回流沖擊作用造成的水力損失減少，從而增大離心泵的水力效率。

圖7為3種方案在標(biāo)況流量下葉輪XY面湍動(dòng)能分布云圖。湍動(dòng)能 是湍流模型中比較常見的物理量，一般用湍流強(qiáng)度表示估算湍動(dòng)能，其公式為：

(2)

其中：

I=0.16Re-0.125

圖7　3種案XY面湍動(dòng)能分布云圖(單位：m2/s2)Fig.7 Distribution of turbulent kinetic energy on XY plane of three schemes

由圖7可以看出，方案二中葉輪低湍動(dòng)能區(qū)域最大，其次是方案三，說明方案二中的葉輪湍動(dòng)能最小，方案一中的葉輪湍動(dòng)能最大。根據(jù)式(2)可知，湍動(dòng)能增加時(shí)，湍流強(qiáng)度增大，流體能量耗散增強(qiáng)，水力損失增大。這說明在離心泵葉輪前蓋板處添加前置葉片后，離心泵葉輪內(nèi)湍動(dòng)能減小，湍流強(qiáng)度減小，流體能量耗散減弱，導(dǎo)致葉輪內(nèi)水力損失減少，最終提高離心泵的水力效率。

2.4　泄漏量

為讀取不同工況下離心泵的口環(huán)泄漏量，在CFX-POST 軟件中垂直于口環(huán)軸線方向作1個(gè)軸截面，確定不同流量下口環(huán)處的泄漏量。為了可以更直觀比較方案二、方案三離心泵泄漏量與方案一離心泵泄漏量的差異，以方案一離心泵的泄漏量為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算另外兩種離心泵泄漏量的偏差，為此引入無量綱參數(shù)R，R為：

(3)

式中：Q1為方案一某工況下的泄漏量；Qb為方案二或方案三相對(duì)應(yīng)工況下的泄漏量。

表1　兩種方案離心泵泄漏量的偏差Tab.1 Deviation of leakage rate of centrifugal pumps in two schemes

由表1可以看出方案二、三與方案一相比，其泄漏量在各工況下都有所降低，且流量越大泄漏量降低的越多，降低幅度都在25%以上；而方案三離心泵泄漏量的偏差隨著進(jìn)口流量的增加而減少，且在大流量工況下泄漏量基本與方案一相同。

2.5　運(yùn)行穩(wěn)定性分析

2.5.1監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

為了能夠較好地得到非定常仿真的頻率分辨率，本文選取葉輪每旋轉(zhuǎn)3°計(jì)算一次，共計(jì)算6個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期，即總共720步，計(jì)算總時(shí)間0.036 s，對(duì)應(yīng)的每一步時(shí)間為5×10-5s，仿真計(jì)算一步，即相當(dāng)于對(duì)流場信息進(jìn)行一次采樣。為分析葉輪添加前置葉片對(duì)蝸殼內(nèi)及葉輪進(jìn)口附近壓力脈動(dòng)的影響，本文分析標(biāo)況下蝸殼內(nèi)部及葉輪進(jìn)口處的壓力脈動(dòng)情況。在蝸殼周向上每隔45°布置一個(gè)點(diǎn)，總共8個(gè)點(diǎn)；在進(jìn)水管內(nèi)設(shè)置3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，位于葉輪進(jìn)口附近，具體位置如圖8所示。

圖8　蝸殼及葉輪進(jìn)口附近監(jiān)測點(diǎn)布置Fig.8 Layout of monitoring points near the volute and inlet of impeller

2.5.2時(shí)域分析

選取最后一個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)的靜壓值進(jìn)行對(duì)比分析，定義壓力脈動(dòng)系數(shù)CP作為衡量壓力脈動(dòng)強(qiáng)度的無量綱數(shù)，用來分析三種方案下的壓力脈動(dòng)變化參數(shù)。

(4)

圖9　蝸殼內(nèi)壓力脈動(dòng)時(shí)域圖Fig.9 Time domain diagram of pressure fluctuation in volute

圖9為蝸殼內(nèi)壓力脈動(dòng)時(shí)域圖，本文選取點(diǎn)P5和P8進(jìn)行分析。點(diǎn)P5和P8的波動(dòng)形式相同，均有6個(gè)波峰和6個(gè)波谷，這與該離心泵葉輪的六個(gè)葉片相對(duì)應(yīng)，但點(diǎn)P8的壓力脈動(dòng)系數(shù)整體都大于點(diǎn)P5，這是由于點(diǎn)P8更靠近蝸殼的隔舌，該點(diǎn)處流體的振動(dòng)較大。對(duì)于點(diǎn)P5，方案一的壓力系數(shù)達(dá)到±0.03，方案二與方案三的壓力系數(shù)基本相同在±0.025左右，均小于方案一。對(duì)于點(diǎn)P8，方案一的壓力系數(shù)達(dá)到±0.04，方案二與方案三的壓力系數(shù)基本相同且均小于方案一，這與點(diǎn)P5的振動(dòng)規(guī)律類似。綜合以上可以說明，在離心泵葉輪前蓋板處添加前置葉片，可以減小離心泵蝸殼內(nèi)的振動(dòng)，有利于提高離心泵的運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖10為葉輪進(jìn)口處壓力脈動(dòng)時(shí)域圖，由于點(diǎn)P10與P11距離葉輪進(jìn)口較遠(yuǎn)，壓力脈動(dòng)不明顯，本文選取點(diǎn)P9進(jìn)行分析。如圖所示，方案一的壓力系數(shù)最大，達(dá)到±0.02；方案二與方案三的壓力正系數(shù)相同，方案三的壓力負(fù)系數(shù)要略大于方案二，但兩種方案整體的壓力系數(shù)都小于方案一。說明在葉輪前蓋板處添加前置葉片可以減小回流對(duì)葉輪進(jìn)口沖擊造成的振動(dòng)，從而優(yōu)化離心泵葉輪進(jìn)口條件。

圖10　葉輪進(jìn)口壓力脈動(dòng)時(shí)域圖(P9)Fig.10 Time domain diagram of pressure fluctuation at impeller inlet (P9)

3　結(jié)　論

(1)離心泵葉輪前蓋板處增置前置葉片后，揚(yáng)程和效率在各個(gè)工況點(diǎn)下都有提高，揚(yáng)程在小流量工況下提高的幅度比較明顯，提高的幅度最高達(dá)到了7%，效率提高的最大幅度為6%。

(2)方案一葉輪進(jìn)口附近的渦量區(qū)域和葉輪內(nèi)部湍動(dòng)能都是最大的，方案二和方案三較小，說明在葉輪前蓋板處增置前置葉片可以減小水力損失，提高水力效率。

(3)方案二與方案三相對(duì)于方案一口環(huán)處的泄漏量在各工況下都有所降低，且流量越大泄漏量降低的越多，降低幅度都在25%以上；而方案三口環(huán)處泄漏量的偏差隨著進(jìn)口流量的增加而減小，且在大流量工況下泄漏量基本與方案一相同。

(4)方案二與方案三在蝸殼內(nèi)部及葉輪進(jìn)口處的壓力脈動(dòng)系數(shù)均小于方案一，說明在葉輪前蓋板處增置前置葉片可以提高離心泵的運(yùn)行穩(wěn)定性，減小回流對(duì)葉輪進(jìn)口沖擊造成的振動(dòng)，從而優(yōu)化離心泵葉輪進(jìn)口條件。

□

參考文獻(xiàn)：

[1]宋文武,魏立超,石建偉,等.孔板對(duì)帶誘導(dǎo)輪高速離心泵進(jìn)口段流動(dòng)特性的影響研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2017,(2):190-195.

[2]朱祖超.開式高速離心泵的試驗(yàn)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1999,(2):34-38.

[3]黃建德.離心泵進(jìn)口回流的發(fā)生機(jī)理及預(yù)估[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),1998,(7):7-11.

[4]袁壽其,梁赟,袁建平,等.離心泵進(jìn)口回流流場特性的數(shù)值模擬及試驗(yàn)[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,(6):461-465.

[5]Gülich J F.Centrifugal Pumps[M].New York: Springer，2007．

[6]Bolpaire S，Barrand J P．Experimental study of the flow in the suction pipe of a centrifugal pump at partial flow rates in unsteady conditions[J]．Journal of Pressure Vessel Technology，1999，121:291-295．

[7]劉甲凡.離心泵葉輪前的預(yù)旋與回流[J].水泵技術(shù),1997,(5):17-19.

[8]Cooper P．Roto-dynamic pump with a diffusion backflow recirculator: USA，4375937[P].1983-03-08．

[9]宋文武,魏立超,石建偉,等.孔板對(duì)帶誘導(dǎo)輪高速離心泵進(jìn)口段流動(dòng)特性的影響研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2017,(2):190-195.

[10]陳應(yīng)華,左椒蘭.防止混流泵小流量工況葉輪前回流的試驗(yàn)研究[J].水泵技術(shù),1997,(6):14-16.

[11]張金鳳,梁赟,袁建平,等.離心泵進(jìn)口回流流場及其控制方法的數(shù)值模擬[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,(4):402-407.

[12]林剛,袁建平,司喬瑞,等.葉輪幾何參數(shù)對(duì)離心泵進(jìn)口回流特性的影響[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào),2017,(2):106-112.

[13]牟介剛，蘇苗印，張孝風(fēng)，等.葉輪口環(huán)間隙對(duì)農(nóng)用離心泵汽蝕性能的影響[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010,32(11): 25-29.