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        含沙空化對軸流泵內(nèi)渦量分布的影響

        2021-03-05 08:18:52朱榮生
        中國農(nóng)村水利水電 2021年2期

        林 鵬,胡 東,王 舒,朱榮生

        (1.湖南人文科技學(xué)院能源與機電工程學(xué)院,湖南 婁底 417000;2.江蘇大學(xué)流體機械工程技術(shù)研究中心,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

        葉片表面渦的生成與發(fā)展是軸流機械效率較低的原因之一[1],例如風(fēng)輪機尾流的激振[2]、葉片尖端功率損失[3]及轉(zhuǎn)子末端流體泄露[4]等。為研究這些渦,WU等[5-7]建立了一套完整的渦量動力學(xué)理論,指出渦量包括邊界渦量( BVF) 和周向渦量( CV) 兩個重要參數(shù)。署恒濤[8]等基于渦量分析方法對軸流風(fēng)扇結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,發(fā)現(xiàn)合理設(shè)計風(fēng)扇葉片壓力面空氣導(dǎo)向筋的形狀、軸向高度及其厚度,可有效提高風(fēng)扇氣動性能。對于軸流泵內(nèi)旋渦的研究主要集中于葉頂間隙渦,如張德勝[9]等通過葉頂區(qū)的三維渦量分布,揭示了葉頂泄漏渦的三維卷吸過程,表明了葉頂泄漏渦的空間結(jié)構(gòu)。彭凱[10]等在 OpenFOAM 數(shù)值平臺下,分別采用MRF方法和滑移網(wǎng)格方法,對某型軸流泵泵內(nèi)流動進行了數(shù)值模擬,分析了頂隙附近的渦流結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,在頂隙附近存在復(fù)雜的渦系,不同渦流之間和渦流與壁面之間均存在明顯的相互作用。沈熙[11]等利用高速攝影和壓力脈動測量結(jié)果,研究了軸流泵葉頂渦空化機理,發(fā)現(xiàn)空化結(jié)構(gòu)對軸流泵葉輪葉頂區(qū)壓力具有重要影響。郭嬙[12]等對葉頂間隙泄漏渦流及空化流場特性進行了研究,基于渦量輸運方程,探討了渦空化的流動機理。

        針對含沙水流空化,已有學(xué)者進行了相關(guān)研究。Madadnia等[13,14]發(fā)現(xiàn):含沙水下,空蝕與磨蝕的聯(lián)合破壞作用遠遠超過空蝕或磨蝕的單獨作用。文獻[15-17]通過試驗研究了固體顆粒含沙量、粒徑、硬度等因素對空蝕破壞程度的影響。

        以上研究有些考慮了含沙空化、有些研究了軸流機械及泵內(nèi)渦流分布及其影響機理,然而有關(guān)含沙空化下軸流泵內(nèi)渦量分布方面的研究較少。故考慮含沙空化,從清水、含沙水、清水空化和空化與泥沙磨損聯(lián)合作用四個方面,分析不同空化程度下,軸流泵內(nèi)渦量的變化過程,以期為軸流泵的優(yōu)化設(shè)計提供參考,具有較大的研究意義。

        1 軸流泵模型

        1.1 設(shè)計參數(shù)

        以幸福泵站中28CJ-70型立式軸流泵為研究對象,裝配總圖,如圖1所示,軸流泵主要設(shè)計參數(shù)見表1所示。

        表1 水泵主要設(shè)計參數(shù)Tab.1 Main design parameters of the pump

        圖1 大型立式軸流泵裝配總圖Fig.1 Assembly diagram of large vertical axial-flow pump

        1.2 軸流泵計算域及網(wǎng)格劃分

        簡化大型軸流泵進、出口流道,計算域如圖2(a)所示,整體網(wǎng)格劃分如圖2(b)所示,經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性檢查,最終選取網(wǎng)格數(shù)為763萬。

        圖2 軸流泵模型和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分Fig.2 Axial-flow pump model and structural meshing

        1.3 邊界條件

        數(shù)值計算采用ANSYS CFX,該軟件采用基于有限元的有限體積法(CV-FEM)[18],設(shè)定收斂精度為10-5。兩相流之間的相間傳遞(Interphase Transfer)選用顆粒軌道模型(Particle Model)。計算時采用壓力進口和質(zhì)量流量出口進行邊界條件的設(shè)置,進口壓力設(shè)為1 atm,出口質(zhì)量流量設(shè)置為21 186.25 kg/s。進行空化計算時,以清水無空化結(jié)果作為空化計算的初始值。選取25 ℃的水和水蒸氣作為計算介質(zhì)。

        2 空化模型

        空化計算采用ZGB空化模型,它是一種由R-P方程推導(dǎo)發(fā)展而來,并得到廣泛使用的空化模型[19],適用于含沙空化的數(shù)值計算當中,其蒸發(fā)率、凝結(jié)率公式分別為:

        (1)

        (2)

        式中:Re為蒸汽蒸發(fā)率;Rc為蒸汽凝結(jié)率;αruc為成核位置體積分數(shù);Fvap為蒸發(fā)系數(shù);Fcond為凝結(jié)系數(shù)。其中αruc=5×10-4,RB= 1.0×10-6m,F(xiàn)vap=50,F(xiàn)cond=0.01。

        由于凝結(jié)過程通常要比蒸發(fā)過程慢得多[20],故Fvap和Fcond并不相等。

        3 軸流泵外特性研究

        圖3為軸流泵分別抽送粒徑d=0.5 mm、含沙量Cm=5%的含沙水和清水時的外特性計算值與泵出廠清水試驗值的對比圖。

        圖3 試驗性能與預(yù)測性能對比Fig.3 Comparison of experimental performance and predictive performance

        由圖3可知,外特性計算值與試驗值吻合較好。軸流泵輸送含沙水時,其揚程和效率均略有下降;在設(shè)計工況下,相比清水計算值,加入泥沙后泵揚程下降5.93%,效率下降1.55%,小流量時的降幅(揚程下降6.68%,效率下降3.34%)大于其他工況。

        4 計算結(jié)果分析

        渦是渦量集中的區(qū)域,因此可以用渦量的模(‖ω‖)作為渦的判據(jù)[21-24],渦量極大的地方是渦的中心。根據(jù)渦量ω的數(shù)學(xué)定義,可以理解為流體微團繞其中心做剛性旋轉(zhuǎn)的角速度之兩倍[25]

        ω=V

        (3)

        式中:V為流體質(zhì)點的速度矢量;ω為流體質(zhì)點的渦量。

        研究設(shè)計流量工況,在Cm=0%、2%、5%和8%的含沙量下,粒徑d=0.05 mm、d=0.25 mm和d=0.5 mm時,軸流泵在初生空化和臨界空化狀態(tài)下,泵內(nèi)部渦量的變化情況,可為研究軸流泵內(nèi)不同狀態(tài)下的流動特性提供參考。

        4.1 含沙量對軸流泵內(nèi)渦量的影響

        圖4、圖5和圖6、圖7分別為不同含沙量下,泵進口壓力Pin=80 kPa(初生空化)和Pin=47 kPa(臨界空化)時,葉輪葉片和導(dǎo)葉葉片表面的渦量分布。

        4.1.1 含沙量對葉輪內(nèi)渦量的影響

        由圖4可知,在初生空化狀態(tài)下,隨著含沙量的增大,渦量逐漸增大。

        圖4 不同含沙量時葉片不同截面流線處渦量分布(d=0.5 mm,Pin=80 kPa)Fig.4 Vorticity distribution at different cross-sectional streamlines of the blade(d=0.5 mm,Pin=80 kPa)

        從軸向看,渦量主要分布在葉片背面中部,工作面處渦量較小,隨含沙量的增大變化不明顯。從徑向看,由輪轂到輪緣,渦量逐漸增大,以輪緣中部的渦量增大最為顯著。

        從細部看,大部分渦量都集中在30 s-1左右,Cm=0%時,最大渦量為150 s-1,Cm=2%時,最大渦量為160 s-1左右,最大渦量增幅不大;Cm=5%時,最大渦量為190 s-1左右,Cm=8%時,最大渦量增大到250 s-1左右,增幅分別為30 s-1和60 s-1。說明渦量的增大與含沙量不是成線性關(guān)系,存在某個臨界點,超過這個臨界點渦量會迅速增大。

        由圖5可知,在臨界空化狀態(tài)下,相比初生空化,葉輪表面渦量迅速增大。從軸向看,渦量主要分布在葉片背面后部、出口邊處以及葉片頭部,工作面處渦量較??;隨含沙量的增大,渦量最大值和漩渦區(qū)域均增大,漩渦范圍由葉片出口向葉片中部移動。從徑向看,由輪轂到輪緣,渦量逐漸增大,輪緣處渦量最大;當含沙量增大到2%時,輪轂到輪緣截面渦量的增幅相差不大,當含沙量大于等于5%時,輪緣處渦量增幅遠大于其他截面處,尤其是含沙量為8%時。

        4.1.2 含沙量對導(dǎo)葉內(nèi)渦量的影響

        由圖6、圖7可知,隨著含沙量的增大,渦量逐漸增大,但增大的幅度不明顯。從軸向看,渦量主要分布在導(dǎo)葉葉片背面進口和出口處,工作面處渦量較小,變化不大,近似一條垂直線。從徑向看,由輪轂到輪緣,渦量的分布沒有明顯的規(guī)律,總體上看,輪轂和輪緣背面渦量較大;在初生空化階段,輪轂處渦量較大,在臨界空化階段,輪緣處渦量較大。

        圖6為初生空化條件時,不同含沙量下導(dǎo)葉內(nèi)渦量分布圖。由圖可知,清水時,葉片表面渦量分布較為分散,葉片背面中部輪轂處渦量最大,不同截面流線上的渦量值相差較大;當加入2%的泥沙之后,進出口的渦量值有所增大,葉片表面的渦量分布相比清水時更加集中,不同截面流線處渦量值相差不大,且葉片背面中部區(qū)域渦量值有所減小。說明,較小的含沙量可以有效抑制導(dǎo)葉背面中部的漩渦,降低渦量。

        圖6 不同含沙量時導(dǎo)葉片不同截面流線處渦量分布(d=0.5 mm,Pin=80 kPa)Fig.6 Vorticity distribution at different cross-sectional streamlines of the guide vane blade(d=0.5 mm,Pin=80 kPa)

        圖7為臨界空化條件時,不同含沙量下導(dǎo)葉內(nèi)渦量分布圖。由圖7可知,隨著進口壓力降低,導(dǎo)葉內(nèi)渦量增大。清水和不同含沙水的渦量分布規(guī)律相似,最大渦量的值均大于初生空化,不同點在于,葉片中部渦量最大處為輪緣位置;隨著含沙量的增大,葉片背面頭部和中前部輪緣處渦量逐漸增大,而中后部渦量卻逐漸減小,表現(xiàn)在圖形上則是,輪緣前部渦量往右移動,輪緣后部渦量往左移動。說明,在臨界空化狀態(tài)下,除葉片進出口頭部存在漩渦外,隨著含沙量的增大,漩渦會向葉片中前轉(zhuǎn)移。

        圖7 不同含沙量時導(dǎo)葉不同截面流線處渦量分布(d=0.5 mm,Pin=47 kPa)Fig.7 Vorticity distribution at different cross-sectional streamlines of the guide vane blade(d=0.5 mm,Pin=47 kPa)

        4.2 粒徑對軸流泵內(nèi)渦量的影響

        圖8、圖9和圖10、圖11分別為不同粒徑下,泵進口壓力Pin=80 kPa(初生空化)和Pin=47 kPa(臨界空化)時,葉輪葉片和導(dǎo)葉葉片表面的渦量分布。

        4.2.1 粒徑對葉輪內(nèi)渦量的影響

        由圖8、圖9可知,渦量的分布規(guī)律與不同含沙量工況相似。相比清水而言,輸送介質(zhì)中含沙對渦量的影響較大,隨著粒徑的增大,葉輪表面渦量隨之增大,然而渦量的增大不明顯。隨著空化壓力的降低,泵內(nèi)渦量迅速增大,說明,空化是引起渦量增大的主要原因。

        圖8為初生空化條件時,不同粒徑下導(dǎo)葉內(nèi)渦量分布圖。由圖8可知,葉片表面渦量最大處為背面輪緣中部,徑向看,渦量由輪緣向輪轂方向逐漸減小,清水時大部分渦量集中于25 s-1左右,隨著粒徑的增大,大部分渦量集中在40 s-1,最大渦量由150 s-1增大到190 s-1左右。除葉片頭部和尾部外,無量綱距離0.3、0.4和0.5位置處,分別對應(yīng)rb=0.5,rb=0.75和輪緣處,均存在一個渦量的峰值,峰值大小由輪緣向輪轂遞減。

        圖8 不同粒徑時葉片不同截面流線處渦量分布(Cm=5%、Pin=80 kPa)Fig.8 Vorticity distribution at different cross-sectional streamlines of the blade(Cm=5%,Pin=80 kPa)

        圖9為臨界空化條件時,不同含沙量下導(dǎo)葉內(nèi)渦量分布圖。由圖9可知,隨著進口壓力降低,導(dǎo)葉內(nèi)渦量增大。清水和不同含沙水的渦量分布規(guī)律相似,最大渦量的值均大于初生空化,不同點在于,葉片中部渦量最大處為輪緣位置;隨著含沙量的增大,葉片背面頭部和中前部輪緣處渦量逐漸增大,而中后部渦量卻逐漸減小,表現(xiàn)在圖形上則是,輪緣前部渦量往右移動,輪緣后部渦量往左移動。說明,在臨界空化狀態(tài)下,除葉片進出口頭部存在漩渦外,隨著含沙量的增大,漩渦會向葉片中前轉(zhuǎn)移。

        圖9 不同粒徑時葉片不同截面流線處渦量分布(Cm=5%、Pin=47 kPa)Fig.9 Vorticity distribution at different cross-sectional streamlines of the blade(Cm=5%,Pin=47 kPa)

        4.2.2 粒徑對導(dǎo)葉內(nèi)渦量的影響

        由圖10、圖11可知,隨著粒徑的增大,葉輪表面渦量隨之增大,然而渦量的增大很小。導(dǎo)葉葉片表面渦量幾乎都分布在葉片進口和出口邊處,隨著粒徑的增大,葉片輪緣和輪轂背面進口部位有一定程度的增大,其他地方變化不明顯。

        由圖10可知,初生空化狀態(tài)下,清水時,葉片表面渦量分布不均勻,當加入粒徑d=0.05 mm的泥沙后,葉片表面渦量最大值有所增大,葉片渦量整體上更加集中,分布也更加均勻,說明小顆粒泥沙可以改善導(dǎo)葉內(nèi)漩渦分布,減小漩渦強度。隨著粒徑繼續(xù)增大到0.25 mm,葉片表面渦量更加均勻和集中,當繼續(xù)增大粒徑到0.5 mm時,葉片表面渦量變化不明顯,其分布也相差不大。

        圖10 不同粒徑時導(dǎo)葉不同截面流線處渦量分布(Cm=5%、Pin=80 kPa)Fig.10 Vorticity distribution at different cross-sectional streamlines of the guide vane blade(Cm=5%,Pin=80 kPa)

        由圖11可知,臨界空化狀態(tài)下,葉片表面渦量分布相比初生空化更加均勻和集中,尤其是清水工況,只是渦量的強度更大。隨著泥沙的加入,導(dǎo)葉背面的渦量逐漸向工作面靠近,輪緣尾部處尤其明顯。隨著粒徑的繼續(xù)增大,導(dǎo)葉表面的渦量變化很小,說明粒徑對導(dǎo)葉內(nèi)渦量影響不大。

        圖11 不同粒徑時導(dǎo)葉不同截面流線處渦量分布(Cm=5%、Pin=47 kPa)Fig.11 Vorticity distribution at different cross-sectional streamlines of the guide vane blade(Cm=5%,Pin=47 kPa)

        5 結(jié) 論

        研究清水、含沙水、清水空化及空化與泥沙磨損聯(lián)合作用下,軸流泵內(nèi)部渦量分布,找到引起水泵不穩(wěn)定流動的主要因素及區(qū)域。主要結(jié)論如下。

        (1)在臨界空化狀態(tài)下,相比初生空化,葉輪表面渦量迅速增大。渦量主要分布在葉片背面后部、出口邊處以及葉片頭部,工作面處渦量較??;隨含沙量的增大,渦量最大值和漩渦區(qū)域均增大,漩渦范圍由葉片出口向葉片中部移動。

        (2)隨著進口壓力降低和含沙量的增大,導(dǎo)葉葉片表面渦量逐漸增大,但增大的幅度不明顯??傮w上看,輪轂和輪緣背面渦量較大。低含沙量和小顆粒泥沙可以改善導(dǎo)葉內(nèi)漩渦分布,減小漩渦強度。

        (3)相比清水而言,輸送介質(zhì)中含沙對葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)渦量的影響較大,隨著粒徑的增大,葉輪和導(dǎo)葉表面渦量隨之增大,然而渦量的增大不明顯。隨著空化壓力的降低,泵內(nèi)渦量迅速增大,說明,粒徑對泵內(nèi)渦量的影響不大,含沙量和空化是引起渦量增大的主要原因。

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