吳 強，王艷玲

(1．華電濰坊發(fā)電有限公司，山東濰坊261204;2．浙能嘉華發(fā)電有限公司，浙江 嘉興314201)

低比轉(zhuǎn)速離心泵被普遍應(yīng)用于農(nóng)業(yè)與工業(yè)生產(chǎn)中［1］．例如，農(nóng)田排水與灌溉、城市和工業(yè)給排水、熱電廠、煉油廠、輸油管線、化工廠、鋼鐵廠、采礦企業(yè)、船舶生產(chǎn)與動力推進、核電站、火箭的燃料供給等方面［2～3］．但是，對于離心泵還是有很多問題沒有得到解決，而汽蝕問題就是其中之一．在離心泵中，液流的壓力是連續(xù)變化的，壓力最低點出現(xiàn)在葉輪葉片入口稍后的位置，這也是汽蝕最容易發(fā)生的地方［4］．因此，改變?nèi)~片的形狀及位置和葉輪入口部分的結(jié)構(gòu)尺寸是提高離心泵汽蝕性能的關(guān)鍵．

現(xiàn)在大多數(shù)學者通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和水力特性這兩方面對離心泵加裝短葉片進行研究．齊學義等［5］為了得出短葉片偏置的最佳位置，分析計算了加裝短葉片分別向葉片背面或工作面方向偏置時液體在葉輪內(nèi)部回流情況．何有世等［6～8］通過數(shù)值模擬離心泵加裝短葉片后葉輪內(nèi)的流動特性，了解離心泵內(nèi)的壓力分布和速度分布．Christopher E．Brennen［9］分析了離心泵入口、葉輪、蝸殼與內(nèi)部流道之間的液體回流現(xiàn)象，并認為離心泵汽蝕研究難度增加是由于液體回流現(xiàn)象的存在．Philippe Dupont和Tomoyoshi Okamura［10］對汽蝕研究領(lǐng)域應(yīng)用的幾種商用CFD(計算流體力學)軟件進行了對比分析．由此可知，國內(nèi)外學者的研究主要還是短葉片幾何特征對離心泵內(nèi)流場影響規(guī)律，長短葉片幾何參數(shù)與外特性的理論表達，針對長短葉片汽蝕方面的研究迄今還未多見．

本文對比轉(zhuǎn)速為66的普通離心泵與改裝泵在不同流量的工況下進行模擬計算．根據(jù)影響離心泵汽蝕性能的因素及葉輪內(nèi)部氣泡體積分數(shù)、氣泡分布、壓力場，對離心泵的汽蝕性能進行分析，揭示了泵內(nèi)部氣液兩相流場的分布，從而為優(yōu)化離心泵汽蝕性能提供理論依據(jù)．

1 數(shù)值計算

1.1 幾何模型建立與網(wǎng)格劃分

本文選取IS50－32－125型蝸殼式離心泵為計算模型［11］，其基本參數(shù)如表1所示．

表1 IS50－32－125型蝸殼式離心泵參數(shù)

圖1 原型泵三維造型

圖2 改裝泵三維造型

原型泵與加裝偏置短葉片的改裝泵實體模型是通過三維建模軟件PRO/Engineer進行建立［12］，整個實體模型由蝸殼、泵進口的延伸段和離心泵葉輪三部分組成．原型泵和改裝泵的三維整機模型，如圖1、圖2所示．加裝的偏置短葉片按照如下參數(shù)進行設(shè)計:(1)進口直徑 D=0．66D2;(2)偏轉(zhuǎn)角 α=0°;(3)短葉片向長葉片負壓面一側(cè)偏置0．45θ．網(wǎng)格劃分利用Gambit軟件，采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并在葉輪部分適當加密，各部件間的連接采用節(jié)點耦合來處理．

1.2 計算方法和邊界條件設(shè)定

分別設(shè)定進口流量為 8 m3/h、10 m3/h、12 m3/h、14 m3/h、16 m3/h、18 m3/h．模型選用較常用的 RNG k－ε湍流模型和Mixture多相流模型［13～14］．輸送介質(zhì)為25℃的清水，溫度設(shè)為25℃，水的汽化壓力為3 170 Pa，氣泡生成系數(shù)取50，氣泡潰滅系數(shù)取值0．01，近壁面處選用標準壁面函數(shù)，壁面邊界條件設(shè)為絕熱無滑移壁面，壁面粗糙度設(shè)為10μm［15］．采用二階離散格式對計算區(qū)域進行離散，計算精度設(shè)為高精度，收斂精度設(shè)為1*10－5．進口邊界條件設(shè)為壓力入口，入口半徑為25 mm，進口處水的體積分數(shù)設(shè)為1，氣泡的體積分數(shù)設(shè)為0．出口邊界條件設(shè)為流量出口．流體在進口段延伸區(qū)和蝸殼內(nèi)為無旋流動，在葉輪區(qū)域為有旋流動，在延伸區(qū)出口和葉輪進口、葉輪出口和蝸殼進口分別設(shè)置交界面．采用無滑移固體壁面邊界條件，并使用標準壁面函數(shù)法確定壁面附近流動．葉輪上的面設(shè)為旋轉(zhuǎn)壁面，其他為固定壁面．

因為在模擬過程中吸入裝置條件不變，只改變使用參數(shù)流量的大小，故認為裝置汽蝕余量不變，而必需汽蝕余量改變．

根據(jù)必需汽蝕余量的表達式［16］:

圖3 網(wǎng)格模型

其中:PS為泵進口壓力;VS為泵進口處的平均速度;Pk為泵內(nèi)最低壓力點的絕對壓力．

由此可以看出，當流量增大時，泵進口處的平均速度會增大．由于溫度不變，而汽化壓力不變，所以需知道汽蝕余量是增大還是減小，必須了解泵進口壓力和泵內(nèi)最低壓力點的壓力，這需要通過分析離心泵模擬計算結(jié)果的壓力云圖來得知．

2 數(shù)值計算結(jié)果及參數(shù)分析

2.1 壓力云圖分析

原型離心泵在流量為12 m3/h下的總壓分布如圖4所示，壓力在離心泵內(nèi)是連續(xù)變化的，液流從進口到出口，壓力的變化是先降低，在葉輪入口稍后的位置壓力達到最低點，然后隨著出流的方向又逐漸增大，當?shù)竭_出口時壓力也達到了最大值．當液體的絕對壓力低于汽化壓力就會有氣泡產(chǎn)生，當氣泡受壓破裂時就會發(fā)生汽蝕，因此壓降的大小以及低壓范圍的大小決定了汽蝕發(fā)生的程度．

其它參數(shù)不變，在流量為10 m3/h、12 m3/h和14 m3/h以3種情形下進行模擬計算，不同流量下壓力分布云圖，如圖5所示．

圖4 額定流量下流場內(nèi)的壓力分布云圖

圖5 不同流量下流場內(nèi)的壓力分布云圖

比較圖5可知，隨著流量逐漸增大，泵與葉輪進口處的低壓區(qū)逐漸增大，壓降更為明顯．分析其原因，流量增大意味著葉輪入口速度增加，水流在葉輪入口區(qū)域的水力損失將增加;同時，水流進入葉輪的流動方向與葉片安置方向更加不協(xié)調(diào)，引起葉片入口更大的沖擊損失，這種增大的水力損失引起的水流壓力下降，造成局部壓力降低，而壓力的降低到汽化壓力時，會產(chǎn)生氣泡，由于流量的增大，液流動的速度也會加快，這會導致氣泡迅速擴散，造成汽蝕加?。?/p>

圖6 相同流量下離心泵內(nèi)流場壓力分布云圖

在流量為12 m3/h時，原型離心泵與加裝短葉片離心泵的壓力分布云圖，如圖6所示．從圖中可知，加裝短葉片離心泵對壓降控制的更好，低壓區(qū)的范圍也減小了．這是由于離心泵加裝了偏置短葉片后在葉輪相同半徑處，可以明顯地發(fā)現(xiàn)與短葉片背面相比長葉片背面的壓力會更高，這對控制流體的分離和脫流起到了很好的效果，從而保持了局部壓力的穩(wěn)定．通過對比可以看出，加裝短葉片能夠有效地改善汽蝕性能．

2.2 氣泡體積分數(shù)云圖分析

三種不同流量下離心泵內(nèi)的氣泡體積分數(shù)云圖，如圖7所示．當流量為10 m3/h時，氣泡的體積分數(shù)較小，這時氣泡的產(chǎn)生和破滅都是在葉片背面的低壓區(qū)．當流量增大時，氣泡會由于離心泵葉輪轉(zhuǎn)速和內(nèi)部流體流速的加快而迅速擴散．氣泡堆積在葉片表面和葉輪通道內(nèi)，葉片工作面、葉輪出口等位置也會出現(xiàn)大量氣泡．從圖中可知，氣泡體積分數(shù)最大的點是葉片背面的中心位置，順著流動方向越靠近葉輪出口氣泡體積分數(shù)越?。谶@三種流量工況中，流量為14 m3/h時，氣泡幾乎占據(jù)了整個葉輪流道，汽蝕情況最為嚴重．經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，在一定的流量范圍之內(nèi)，氣泡體積分數(shù)隨著流量的增加而逐漸變大，而氣泡分布區(qū)域體積變化不大．可見流量越大，離心泵抗汽蝕性能越差．

圖7 不同流量下流場內(nèi)的氣泡體積分數(shù)分布云圖

在流量為10 m3/h時，原型離心泵與加裝短葉片離心泵的氣泡體積分數(shù)云圖，如圖8所示．根據(jù)云圖分析可知，加裝短葉片的離心泵氣泡體積分數(shù)明顯減小，最大值由原來的0．97減小到0．90．與原型泵相比，氣泡體積分數(shù)下降了0．07．同時還可以看到，與短葉片背面和長葉片工作面之間流道相比，短葉片工作面和長葉片背面之間流道的氣泡分布范圍和氣泡體積分數(shù)明顯要大得多，在長葉片背面氣泡體積分數(shù)達到最大值．不僅如此，葉輪流道間的液流由于短葉片的存在流動更加穩(wěn)定，不會出現(xiàn)明顯的流體流動分離，流動狀態(tài)良好．因此，氣泡分布區(qū)域體積變小．

另外，葉輪上葉片表面壓力分布不均勻會導致葉輪內(nèi)的氣泡成不對稱分布，這與葉輪和蝸殼之間的耦合作用有關(guān)．

圖8 相同流量下離心泵內(nèi)流場氣泡體積分數(shù)分布云圖

2.3 流量和葉輪結(jié)構(gòu)對葉片表面壓力的影響

當流量變化時，原型泵與改裝泵內(nèi)的壓力變化，如圖9所示．在每種泵的長葉片上選取3個位置(葉片進口、壓力最低、葉片出口)作為壓力參考點，根據(jù)模擬計算結(jié)果得出這三個點隨流量變化時壓力的變化，進而得出整個泵內(nèi)壓力的變化．在圖中無論是原型泵還是改裝泵，這三個位置壓力都會隨流量的增大而逐漸減小，也就是說離心泵內(nèi)的壓力也會隨著流量增大而減小．從最小流量8 m3/h到最大流量18 m3/h，原型泵中葉片進口壓力下降了25．9%，葉片出口壓力下降了37．1%，壓力最低點下降了16．9%，可見葉片出口隨流量增大且壓降最大．加裝短葉片的改裝泵其葉片壓力也會隨流量增大而減小，但相同流量相同位置處其壓力比原型泵有明顯的提高，而且在壓降最大的葉片出口處，改裝泵的壓降是31%，比原型泵的壓降減少了6．1%．

圖10在流量為12 m3/h時，原型泵與改裝泵葉輪長葉片上的壓力變化，其中P為葉片的表面壓力，S為葉輪中線的相對長度(0表示葉片進口位置，1表示葉片出口位置)．從圖中可知，原型泵與改裝泵長葉片上的壓力變化趨勢相似，從葉片進口壓力先是逐漸降低，到達最低壓力點后開始上升，在葉片出口處達到最大值．最小壓力點在葉輪進口稍后的位置，在這里液流速度最快、壓力最小，所以最容易發(fā)生汽蝕．通過對比可以發(fā)現(xiàn)，加裝了短葉片的改裝泵，在相同的位置其葉片壓力比原型泵都有增大，葉片進口處增大了11．3%，并且從葉片進口到壓力最低點，壓力的變化率在逐漸增大，在壓力最低點變化率達到最大值，較原型泵增大了19．6%，在之后的一段位置都保持著較大的壓力變化率，但隨著葉片出口的臨近，從葉片的3/5處壓力的變化率開始變小，在葉片出口處壓力增大了12．8%．

圖9 不同流量下的葉片表面壓力

圖10 相同流量下的表面壓力

圖11 流量－氣泡體積分數(shù)曲線圖

2.4 流量和葉輪結(jié)構(gòu)對氣泡體積分數(shù)的影響

流量－氣泡體積分數(shù)曲線圖，如圖11所示．在同一流量下，加裝偏置短葉片離心泵的氣泡體積分數(shù)要低于原型泵．當流量12 m3/h時，氣泡體積分數(shù)下降了5．9%;當流量為14 m3/h時，氣泡體積分數(shù)下降了 5．3%．

3 結(jié) 論

(1)在離心泵內(nèi)氣泡體積分數(shù)的最大值位于葉片背面中心位置，隨后氣泡沿著葉輪流道向出口流動的過程中，由于壓力增大，氣泡開始發(fā)生潰滅，氣泡體積分數(shù)隨著葉片徑向位置的增大而逐漸變?。?/p>

(2)離心泵加裝了偏置短葉片后相對于原型泵內(nèi)部的流動狀況會有所改善，這是因為短葉片抑制了一些液流的不規(guī)則流動，是葉輪和蝸殼內(nèi)的壓力分布更均勻，保持局部壓力的穩(wěn)定．

(3)通過模擬得出，在一定的范圍內(nèi)，離心泵進口流量越大，抗汽蝕性能越差．加裝偏置短葉片能夠有效抑制氣泡產(chǎn)生或破滅，提高離心泵抗汽蝕性能．

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