吳新 黃乾

摘要：基于設(shè)計(jì)完成的高揚(yáng)程貫流泵模型，應(yīng)用Ansys Workbench軟件，對(duì)高揚(yáng)程后置燈泡式貫流泵內(nèi)部的流動(dòng)情況及結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬討論了在不同工況下的高揚(yáng)程貫流泵運(yùn)行時(shí)的湍流流動(dòng)，在小流量工況下，貫流泵內(nèi)部流態(tài)紊亂，會(huì)產(chǎn)生噪音及空化等問(wèn)題;繼而采用單向流固耦合的方法，模擬不同工況下泵葉輪部分的流動(dòng)情況，最大等效應(yīng)力隨半徑減小而增大，應(yīng)力集中出現(xiàn)于工作面與輪轂交接處，形變則隨著半徑增大而增大，其最大值出現(xiàn)在輪緣處。在進(jìn)行高揚(yáng)程貫流泵優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需注意小流量工況時(shí)的流動(dòng)特性及葉輪根部的強(qiáng)度校核。

關(guān)鍵詞：貫流泵;高揚(yáng)程：數(shù)值模擬：?jiǎn)蜗蛄鞴恬詈?結(jié)構(gòu)應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TV41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2019.05.034

泵作為將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體動(dòng)能以實(shí)現(xiàn)液體定向輸送的動(dòng)力裝置，在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。泵的種類有很多種，每種泵有各自的作用和優(yōu)勢(shì)，其中貫流泵以效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、開(kāi)挖的深度和平面尺寸較小、水力性能好見(jiàn)長(zhǎng)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論認(rèn)為揚(yáng)程大于5m的泵站應(yīng)優(yōu)先選用軸流泵或者混流泵，揚(yáng)程小于5m的泵站則優(yōu)先選用貫流泵。

軸流泵和混流泵機(jī)組都普遍存在以下缺點(diǎn)：①機(jī)組中有空間導(dǎo)葉，軸線的長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，再加上出水流道的軸向高度，使立式泵裝置的軸向高度過(guò)大，常會(huì)帶來(lái)較多問(wèn)題，如增加流道的水力損失、降低裝置效率等;②機(jī)組泵軸過(guò)長(zhǎng)，運(yùn)行過(guò)程中擺動(dòng)較大，從而降低了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

相比于軸流泵以及混流泵機(jī)組，在相同開(kāi)挖深度條件下，貫流泵機(jī)組可以減少?gòu)S房的開(kāi)挖量和混凝土澆筑量，大大降低泵站的造價(jià)。因其機(jī)組為臥式布置，流動(dòng)條件好，水力損失小，與立式機(jī)組廠房必須采用的多層結(jié)構(gòu)相比，貫流泵站廠房結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，被廣泛應(yīng)用于排灌和調(diào)水等工程中。過(guò)去對(duì)于貫流泵站開(kāi)展的科學(xué)研究主要集中在低揚(yáng)程泵站水力性能方面，而對(duì)高揚(yáng)程泵站的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、泵系統(tǒng)可靠性和適應(yīng)性、振動(dòng)和噪聲以及運(yùn)行品質(zhì)的提升等的研究則較少。

我國(guó)相較于日本等國(guó)對(duì)于貫流泵的研究較少，對(duì)高揚(yáng)程貫流泵的研究近乎空白。本研究基于一個(gè)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的高揚(yáng)程貫流泵模型，相較于普通貫流泵小于Sm的揚(yáng)程，該模型的揚(yáng)程達(dá)到10 m左右，使流體經(jīng)過(guò)泵可以獲得更多的能量，在獲得貫流泵多項(xiàng)長(zhǎng)處的同時(shí)，也可以有較高的揚(yáng)程。筆者針對(duì)該貫流泵模型的內(nèi)外特性進(jìn)行探討，并對(duì)葉片進(jìn)行單向流固耦合研究，以期填補(bǔ)高揚(yáng)程貫流泵研究的空白。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)貫流泵和流固耦合進(jìn)行了很多研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（ CFD）計(jì)算方法具有耗時(shí)短、成本低、易于獲得流場(chǎng)中流動(dòng)數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，較多運(yùn)用于流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)模擬2-3]。李龍等[4]對(duì)軸伸式貫流泵雙向運(yùn)行時(shí)的流動(dòng)情況進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)模擬，研究了軸伸式貫流泵在雙向運(yùn)行時(shí)的泵內(nèi)流動(dòng)情況：戴啟瑤等[5]在分析淮安三站存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，采用CFD數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法研究了從6個(gè)方面優(yōu)化后泵裝置的性能;唐學(xué)林等[6]、秦晉等[7]基于RNG k-ε湍流模型，應(yīng)用Ansys Workbench軟件，對(duì)前置豎井式貫流泵內(nèi)部湍流流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值分析，并進(jìn)一步采用單向流固耦合方法分析葉輪的等效應(yīng)力及形變量。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 流場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型

水泵內(nèi)部流動(dòng)為三維不可壓縮黏性湍流，可以用連續(xù)性方程和動(dòng)量方程來(lái)描述，即

1.3 流固耦合求解方法

流固耦合（fluid solid interaction，簡(jiǎn)稱FSI），是將CFD與計(jì)算固體力學(xué)（CSM）結(jié)合在一起計(jì)算固體在流體作用下應(yīng)力應(yīng)變及流體在固體變形影響下的流場(chǎng)改變[8-11]。本研究采用的是單向流固耦合方法，其原因是結(jié)構(gòu)形變量對(duì)于流場(chǎng)產(chǎn)生的影響較小。

2 物理模型與邊界條件

本研究采用后置燈泡式貫流泵模型，其中的過(guò)流部件包括進(jìn)水流道、葉輪體、導(dǎo)葉體和出水流道。貫流泵的基本幾何參數(shù)如下：葉輪直徑為1 340 mm，葉片數(shù)為4，葉片安裝角為0°，導(dǎo)葉體葉片數(shù)為7;基本性能參數(shù)如下：設(shè)計(jì)流量為6 480 L/s，轉(zhuǎn)速為400 r/min。模型泵裝置的計(jì)算區(qū)域見(jiàn)圖1。

流體區(qū)域網(wǎng)格的劃分采用了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（見(jiàn)圖2），全流道的網(wǎng)格總數(shù)為148萬(wàn)，根據(jù)計(jì)算精細(xì)度的需要，對(duì)葉輪和導(dǎo)葉部分進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密，加密后的葉輪結(jié)構(gòu)部分計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)為69萬(wàn)，導(dǎo)葉部分為50萬(wàn)。

為后續(xù)的單向流固耦合運(yùn)算，需要先采用CFD軟件進(jìn)行全流道數(shù)值模擬，所有壁面都定義為無(wú)滑移壁面，定義不同的速度進(jìn)口，出口設(shè)置為自由出流，各個(gè)流體部分分開(kāi)繪制網(wǎng)格，流體之間用交界面進(jìn)行連接，葉輪的材料為結(jié)構(gòu)鋼，流體介質(zhì)為水。本研究采用的湍流模型及算法為k一ε模型及SIMPLEC算法。

3 結(jié)果分析

3.1 流場(chǎng)分析

3.1.1 性能曲線

為了分析高揚(yáng)程貫流泵內(nèi)部的湍流流動(dòng)情況，分別對(duì)7種工況下的貫流泵流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。7種工況分別為0.6Qd.0.7Qd.0.8Qd.0.9Qd.Qd、1.1Qd、1.2Qd，其中Qd為設(shè)計(jì)流量。

在Fluent軟件中對(duì)該高揚(yáng)程貫流泵不同工況下的水流情況進(jìn)行模擬，計(jì)算得出泵進(jìn)出口總壓及葉輪的

3.1.2 泵內(nèi)流場(chǎng)分布及轉(zhuǎn)輪渦帶

由于小流量工況及大流量工況下流道流線大體相同，因此本文給出0.7Qd、1.2Qa及設(shè)計(jì)工況下的流線分布圖（見(jiàn)圖4），可以看出，在小流量和大流量工況下水泵出水流道內(nèi)流態(tài)較為混亂，形成了較多的渦旋及回流;設(shè)計(jì)工況則流線分布較為均勻，流態(tài)較好。在小流量及大流量工況下出水流道中形成的渦旋及回流會(huì)造成較大的水力損失，且會(huì)造成噪聲、振動(dòng)和空化等現(xiàn)象。

圖5為不同工況下轉(zhuǎn)輪周圍渦帶分布，可以看出在設(shè)計(jì)工況及大流量工況下轉(zhuǎn)輪周圍形成的旋渦較少，而在小流量工況下會(huì)在轉(zhuǎn)輪周圍形成較多旋渦，可能會(huì)比較容易造成空化現(xiàn)象，對(duì)葉輪安全運(yùn)行影響較大。

3.2 靜應(yīng)力分析

3.2.1 葉片壓力分布

圖6為各個(gè)葉片表面的壓力分布情況，葉片表面的靜壓力分布合理，最大壓力出現(xiàn)在葉片進(jìn)水邊，最小壓力出現(xiàn)在吸力面進(jìn)水邊附近。該靜壓力分布為流固耦合計(jì)算的基礎(chǔ)，該計(jì)算方法可以準(zhǔn)確模擬該泵的特性及壓力荷載，為葉輪強(qiáng)度分析提供保證。

3.2.2 單向流固耦合分析

通過(guò)Ansys Workbench的Static Structural模塊，求得在單項(xiàng)流固耦合計(jì)算方法葉輪不同工況下的最大等效應(yīng)力和形變量，見(jiàn)圖7。在設(shè)計(jì)工況附近.最大等效應(yīng)力達(dá)到最大值，為86.5 MPa，遠(yuǎn)小于所選材料的極限抗拉強(qiáng)度，所以該葉輪滿足強(qiáng)度要求。

由于各個(gè)工況下葉輪所受的最大等效應(yīng)力和形變量整體上相似，因此在此只給出設(shè)計(jì)工況下的等效應(yīng)力分布圖和形變分布圖（見(jiàn)圖8、圖9）。葉片表面受到的最大等效應(yīng)力隨半徑的減小逐漸增大，應(yīng)力集中出現(xiàn)在葉輪工作面根部中間區(qū)域，即與輪轂相接處。工作面受到的最大等效壓力普遍大于背面的，因?yàn)樨灹鞅萌~片設(shè)計(jì)方法為參考軸流泵葉片設(shè)計(jì)方法，葉片為懸臂結(jié)構(gòu)，泵工作時(shí)，水流流經(jīng)葉片，使得工作面受壓而背面受拉，所以工作面受到的最大等效壓力比背面大。葉片的形變量則隨著半徑的增大而增大，工作面和背面差異不大，葉輪的最大形變出現(xiàn)在輪緣進(jìn)水邊位置，其原因是葉輪輪緣的離心力和葉片沖角造成了較大的水流沖擊力。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)高揚(yáng)程貫流泵模型進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到該模型的內(nèi)外特性，在小流量工況下貫流泵出水流道內(nèi)旋渦及回流較多，會(huì)造成噪聲振動(dòng)及空化現(xiàn)象，并且在轉(zhuǎn)輪周圍也存在較多的旋渦，對(duì)轉(zhuǎn)輪的安全運(yùn)行造成較大影響。

（2）對(duì)葉輪部分進(jìn)行單向流固耦合求解，葉輪表面受到的最大等效應(yīng)力隨半徑的增大而減小，應(yīng)力集中出現(xiàn)在葉輪工作面根部、中部，即與輪轂相接處，最大等效應(yīng)力的最大值為86.5 MPa，遠(yuǎn)小于所選材料的應(yīng)力極限，滿足強(qiáng)度要求。葉輪的形變量隨著半徑的增大而增大，工作面與背面無(wú)明顯差異，最大形變出現(xiàn)在輪緣進(jìn)水邊處。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李忠，軸流泵內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2007：1-25.

[2]

RUI Z，HONCXUN C.Numerical Simulation and Flow Diagnosisof Axial-Flow Pump at Part-Load Condition[J]. Int.J.Turbo Jet-Engines，2012，29（1）：1-7.

[3]

YANC F，LIU C，TANC F.Numerical Simulation of ThreeDimensional Flow in Large Mixed-Flow Pump System[C].ASME-JSME-KSME. Joint Fluids Enginee-ring Conference，2011：12-15.

[4] 李龍，王澤，軸伸式貫流泵裝置全流場(chǎng)三維湍流數(shù)值模擬[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007（10）：62-66.

[5]戴啟瑤，梁豪杰，孟小敏，等，淮安三站燈泡貫流泵裝置優(yōu)化研究[J].江蘇水利，2016（10）：38-41.

[6]唐學(xué)林，賈玉霞，王福軍，等，貫流泵內(nèi)部湍流流動(dòng)及葉輪流固耦合特性[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，31（5）：379-383.

[7] 秦晉，劉樹(shù)峰，基于流固耦合的豎井貫流泵強(qiáng)度分析[J].東北水利水電，2016，34（1）：54-57.

[8]

MUNCH C，AUSONI P，BRAUN 0，et al.Fluid-StructureCoupling for an Oscillating Hydrofoil[J].Joumal of Fluids&Structures， 2010， 26（6）：1018- 1033.

[9]

AHMADI A，KERAMAT A.Investigation of Fluid-StructureInteraction with Various Types of Junction Coupling[ J].Journal of Fluids&Structures， 2010， 26（7）：1123- 1141.

[10] 吳忠，何勇，邵勇，等，雙向軸流泵流固耦合動(dòng)力特性分析[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2017（5）：188-192.

[11] OUYANC X P，F(xiàn)ANC X， YANC H Y.An Investigationinto the Swash Plate Vibration and Pressure Pulsation ofPiston Pumps Based on Full Fluid- Structure Interactions[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)a輯（應(yīng)用物理與工程）（英文版）， 2016，17（3）：202-214.

【責(zé)任編輯許立新】