楊敬江，周潤澤，陳匯龍，俞田寶

(1.江蘇大學(xué) 國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

雙蝸殼結(jié)構(gòu)壓水室對減小泵在運行過程中葉輪徑向力及降低振動噪聲起到很大的作用.目前，一些學(xué)者對雙蝸殼泵在穩(wěn)定運行工況下的壓力脈動特性、內(nèi)部流動特性和動靜干涉等問題進(jìn)行了深入研究.楊敏等[1]對雙蝸殼離心泵壓力脈動特性及葉輪徑向力進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了內(nèi)部流場特性及雙蝸殼內(nèi)壓力脈動的情況，并對其進(jìn)行了頻譜分析.結(jié)果表明雙蝸殼內(nèi)存在比較明顯的壓力脈動.張霞等[2]對單、雙蝸殼高比轉(zhuǎn)速離心泵在不同工況下進(jìn)行了數(shù)值模擬和外特性試驗,得出雙蝸殼離心泵具有更高的水力效率，并能有效抑制壓力脈動.趙萬勇等[3]研究了蝸殼斷面面積變化規(guī)律對水力性能和徑向力的影響，為解決徑向力過大引起的斷軸問題提供了理論依據(jù).CUI B.L.等[4]對雙蝸殼多級離心泵不同工況下的瞬態(tài)徑向力進(jìn)行了研究.結(jié)果表明瞬態(tài)徑向力與徑向振動密切相關(guān).A.E.KHALIFA等[5]研究了不同工況下內(nèi)部壓力脈動與泵振動的分布規(guī)律，探索減小雙蝸殼泵流激振動的方法，并通過試驗優(yōu)化葉輪與蝸殼隔舌的間隙，有效減小了因流動引起的振動.

泵快速啟動特性在很多特殊場合有著重要的應(yīng)用，例如，大型輸水站應(yīng)急供水系統(tǒng)、核電站冷卻水系統(tǒng)等.目前，對于離心泵啟動過程瞬態(tài)流動的研究已取得了的一定的成果.P.THANAPANDI等[6]對蝸殼式離心泵在不同閥門開度下進(jìn)行了啟動和停機(jī)過程的試驗研究.結(jié)果表明，在低加速度情況下，其瞬態(tài)特性與準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果基本吻合，并提出了啟停性能預(yù)測模型.LI W.等[7]對混流泵在啟動加速過程中的液壓沖擊和水力性能進(jìn)行研究，得出啟動加速度對葉片的變形和動應(yīng)力影響較大.李志峰等[8]應(yīng)用粒子成像測速技術(shù)對離心泵不同閥門開度的啟動過程進(jìn)行試驗研究.張玉良[9]建立了離心泵循環(huán)管路系統(tǒng)，采用動網(wǎng)格方法對離心泵快速啟動過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了啟動過程中外特性的變化情況和內(nèi)部流場的演化特性.吳紹科等[10]對不同閥門開度下離心泵啟動過程進(jìn)行了仿真分析，研究了啟動轉(zhuǎn)速、流量、功率和出口壓力特性的變化規(guī)律.陳宗賀等[11]采用高速攝影測量的方法對混流泵啟動過程中的瞬態(tài)空化特性進(jìn)行了研究.

筆者對雙蝸殼離心泵及其循環(huán)管路系統(tǒng)的啟動過程進(jìn)行非定常數(shù)值模擬，研究瞬態(tài)外特性隨葉輪轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律，重點分析啟動過程中蝸殼內(nèi)部瞬態(tài)流動特性和雙蝸殼隔板兩側(cè)的壓力脈動特性.

1 雙蝸殼離心泵啟動過程的數(shù)值計算

1.1 離心泵的基本參數(shù)

采用的離心泵模型在最優(yōu)工況下，流量Q=204 m3·h-1，揚程H=87 m，額定轉(zhuǎn)速為2 950 r·min-1，比轉(zhuǎn)速ns=90，葉輪葉片數(shù)z=5 片，葉輪進(jìn)口直徑D1=160 mm，葉輪外徑D2=256 mm，葉片出口寬度b2=16 mm.

1.2 離心泵系統(tǒng)三維建模

采用NX10.0軟件對離心泵整個循環(huán)管路系統(tǒng)建立三維模型.管路系統(tǒng)由離心泵、管路、水箱及閥門組成.離心泵入口管路直徑為160 mm、出口管路直徑為100 mm，水箱形狀為長方體，長、寬、高分別為1、1、2 m，其出入口直徑與泵進(jìn)出口相同，如圖1所示.

圖1 離心泵循環(huán)管路系統(tǒng)

在循環(huán)管路系統(tǒng)中設(shè)置收縮管，通過調(diào)整收縮管最小直徑Dv，使得該離心泵在額定轉(zhuǎn)速下的性能接近最優(yōu)工況點，起到代替閥門的作用.

通過多次穩(wěn)態(tài)模擬試驗確定收縮管的最小直徑，泵在額定轉(zhuǎn)速(2 950 r·min-1)下的性能如表1所示，當(dāng)收縮管最小直徑為35 mm時的結(jié)果最為接近設(shè)計工況點，計算得到泵在額定轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定流量為207.5 m3·h-1，相對誤差為1.7%，揚程為88.3 m，相對誤差為1.5%.

表1 泵在額定轉(zhuǎn)速下的性能

1.3 計算域網(wǎng)格與邊界條件

整個循環(huán)系統(tǒng)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對蝸殼隔舌等部位進(jìn)行加密，提高網(wǎng)格整體質(zhì)量以及計算效率.通過網(wǎng)格無關(guān)性計算，確定了計算域網(wǎng)格總數(shù)為2 966 245個.其中葉輪區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為1 660 857個，蝸殼區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為864 099個，管路區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)為353 169個，水箱區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為88 120個，葉輪和蝸殼區(qū)域的計算網(wǎng)格分別如圖2、3所示.

圖2 葉輪區(qū)域網(wǎng)格

圖3 蝸殼區(qū)域網(wǎng)格

應(yīng)用ANSYS CFX 15.0軟件進(jìn)行三維非定常數(shù)值模擬，以雷諾時均N-S方程作為基本控制方程，采用RNGk-ε湍流模型，殘差收斂精度設(shè)置為10-4.對離心泵循環(huán)管路系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬時，無需設(shè)置泵的進(jìn)出口邊界條件，并將水箱頂部設(shè)為壓力進(jìn)口[12]，其值為恒定的大氣壓，同時設(shè)為零梯度.將旋轉(zhuǎn)域與靜止域之間的交接面設(shè)置為瞬態(tài)轉(zhuǎn)子-定子，葉輪各壁面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，靜止區(qū)域的壁面設(shè)置為無滑移壁面.

1.4 數(shù)值求解方法

啟動過程中轉(zhuǎn)速通常隨時間呈指數(shù)規(guī)律變化，可以通過編寫CEL表達(dá)式來描述，從而對離心泵整個啟動過程進(jìn)行數(shù)值模擬.根據(jù)文獻(xiàn)[13]的研究結(jié)果，啟動過程中葉輪轉(zhuǎn)速n的曲線方程為

n=n0(1-e-t/t0)，

式中：n0為葉輪額定轉(zhuǎn)速2 950 r·min-1；t為啟動時間；t0為名義加速時間，即轉(zhuǎn)速從0變化為額定轉(zhuǎn)速的63.2%時所使用的時間，設(shè)為0.15 s.

為研究啟動過程中由于離心泵結(jié)構(gòu)的不對稱性及內(nèi)部流動的不均勻性而產(chǎn)生的壓力脈動，在雙蝸殼的隔板上設(shè)立6個監(jiān)測點，它們分別位于隔板初始端兩側(cè)(P1、P2)、中間段兩側(cè)(P3、P4) 以及末端兩側(cè)(P5、P6)，如圖4所示.整個瞬態(tài)啟動過程持續(xù)時間為1.00 s，額定轉(zhuǎn)速為2 950 r·min-1，由于在啟動初期轉(zhuǎn)速較小，時間步長設(shè)為1 ms，總計算時間為1.00 s，結(jié)果輸出頻率設(shè)置為每個時間步長，以定常計算結(jié)果作為非定常計算的初始值.

圖4 隔板處各監(jiān)測點位置分布

2 蝸殼內(nèi)部瞬態(tài)流動分析

離心泵啟動時間為0～0.08 s時，雙蝸殼流道內(nèi)部速度場的變化如圖5所示.離心泵在啟動開始的0.10 s內(nèi)，葉輪啟動旋轉(zhuǎn)加速度非常大，使得啟動初期雙蝸殼內(nèi)部流動情況變化劇烈；啟動時間為0.04 s時，雙蝸殼流道內(nèi)整體流速較小，蝸殼入口處速度梯度不明顯，受葉輪與隔舌之間動靜干涉作用的影響，在隔舌周圍出現(xiàn)了較小面積的高速區(qū)；啟動時間在0.04 s后，隔板內(nèi)側(cè)流速變化迅速，隔板外側(cè)速度分布較均勻，且速度較低，蝸殼入口處速度梯度逐漸變大，隔舌部位的高速區(qū)域面積明顯增大，并向蝸殼出口方向擴(kuò)散；在0.08 s時，隔板初始位置處也出現(xiàn)了明顯的高速區(qū)域.由于隔板對葉輪出口液流的阻擋作用，使得流體的動能很大程度上轉(zhuǎn)化為壓力能，導(dǎo)致隔板外側(cè)流速變化較小，流場分布均勻.

圖5 離心泵啟動時間為0～0.08 s時，雙蝸殼流道內(nèi)部速度場的變化

離心泵啟動時間為0.10～1.00 s時，雙蝸殼流道內(nèi)部速度場的變化情況如圖6所示，葉輪轉(zhuǎn)速成指數(shù)增長并達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，雙蝸殼流道內(nèi)部變化逐漸趨于穩(wěn)定，在0.10 s時，隔板內(nèi)側(cè)流道在隔板初始至中間段區(qū)域流速較大，之后逐漸移至隔板初始位置，而隔板外側(cè)流速沿隔板初始端至末端逐漸遞增，由于隔板外側(cè)受葉輪動靜干涉影響較小，其流場分布仍較均勻；0.20 s后隔舌部位的高速區(qū)域形成明顯的速度梯度并且面積逐漸減小，同時隔板初始位置的高速區(qū)域開始縮小，蝸殼入口處的速度梯度也逐漸降低；在1.00 s時，葉輪轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值，蝸殼內(nèi)部速度場整體分布較為穩(wěn)定，蝸殼入口位置出現(xiàn)的高速區(qū)相對于基圓圓心具有一定的對稱性，且蝸殼擴(kuò)散管內(nèi)速度場相對于隔板末端切線位置對稱.

圖6 離心泵啟動時間為0.10～1.00 s時，雙蝸殼流道內(nèi)部速度場的變化情況

從圖5、6可以看出：由于啟動初期葉輪旋轉(zhuǎn)加速度較大，在啟動時間為0～0.08 s時，雙蝸殼內(nèi)部流動變化較劇烈，隔舌和隔板初始位置出現(xiàn)了明顯的高速區(qū)；在啟動時間為0.10～1.00 s時，內(nèi)部流動變化逐漸減小并趨于穩(wěn)定，且高速區(qū)逐步減小，蝸殼入口處的速度梯度先迅速增大再逐漸減小并達(dá)到相對穩(wěn)定，同時在啟動過程中隔板外側(cè)流速相對隔板內(nèi)側(cè)較小且較均勻.

3 外特性與壓力脈動分析

3.1 啟動過程外特性變化分析

雙蝸殼離心泵在啟動過程中，流量與揚程隨時間的變化如圖7所示，流量與揚程的上升規(guī)律同轉(zhuǎn)速上升規(guī)律相似，表明在啟動過程中，轉(zhuǎn)速變化直接決定了流量和揚程的大小.

圖7 啟動過程外特性曲線

離心泵啟動過程進(jìn)出口總壓特性曲線如圖8所示，啟動初期進(jìn)口總壓呈現(xiàn)微小的下降，整體變化平穩(wěn)，其波動相對于出口總壓較小.而出口總壓在啟動的前0.50 s呈明顯上升趨勢，后0.50 s上升趨勢趨于平緩，其波動隨著轉(zhuǎn)速的提高而逐漸變大.

圖8 進(jìn)出口總壓特性曲線

由于揚程的大小由泵進(jìn)出口壓力決定，同時出口壓力變化對揚程大小變化起到關(guān)鍵作用，因此，揚程受到出口壓力脈動的影響呈波動上升，隨葉輪轉(zhuǎn)速的不斷變大，揚程波動的幅度逐漸增大，上升趨勢也與出口壓力近似，表明葉輪與蝸殼之間的動靜干涉效應(yīng)隨轉(zhuǎn)速提升更加明顯.當(dāng)轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時，揚程波動的幅度基本穩(wěn)定.

在啟動過程中，流量的變化與轉(zhuǎn)速變化規(guī)律類似.在啟動后約0.15 s，葉輪轉(zhuǎn)速迅速提升到了額定轉(zhuǎn)速的63.2%，流量在這個時間段內(nèi)也急劇上升；隨后在0.15 s到0.50 s之間，流量變化率逐漸減小，上升逐漸變緩；0.50 s后，流量非常緩慢地上升，直至達(dá)到相對穩(wěn)定.同樣，流量受壓力脈動影響，在整個變化過程中也存在微弱的波動.

3.2 隔板內(nèi)側(cè)壓力脈動分析

隔板內(nèi)側(cè)壓力脈動曲線如圖9所示，啟動過程中，隔板內(nèi)側(cè)P1、P3、P5監(jiān)測點的壓力隨時間先劇烈上升，再逐漸緩慢上升，最后保持穩(wěn)定.葉輪與隔板初始位置存在強烈的動靜干涉效應(yīng)，同時流體流出葉輪并與隔板產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致流動變得十分復(fù)雜，使隔板內(nèi)側(cè)初始端P1點處的壓力脈動十分劇烈.P3、P5監(jiān)測點分別位于隔板內(nèi)側(cè)的中間位置和末端位置.P3點所受的動靜干涉作用相對于隔板初始端P1點較小，P5點雖處于隔板與隔舌之間，但該點與隔舌存在一定距離，同時隔舌阻擋了一部分從葉輪流出的液體，減小了隔板末端流體的動能，使動靜干涉作用減弱，因此P3、P5處的壓力脈動幅值相對于P1點較為穩(wěn)定.由于葉輪流出的液體與隔板發(fā)生碰撞，流體的部分動能轉(zhuǎn)化為壓力能，隔板內(nèi)側(cè)所受壓力從初始位置至末端位置有遞增的趨勢.

圖9 隔板內(nèi)側(cè)壓力脈動曲線

3.3 隔板外側(cè)壓力脈動分析

啟動過程中隔板外側(cè)監(jiān)測點的壓力脈動如圖10所示.

圖10 隔板外側(cè)壓力脈動曲線

從圖10可以看出：隔板外側(cè)初始端P2點、中間段P4點及末端P6點處的壓力均值變化較為接近，P4、P6監(jiān)測點所受壓力的平均值相近似，但P4點壓力脈動的幅值明顯小于P6點.P2、P4監(jiān)測點的壓力均大于隔板內(nèi)側(cè)相對監(jiān)測點P1、P3的壓力，這2點處壓力脈動的幅值明顯小于隔板內(nèi)側(cè)P1、P3監(jiān)測點，這是由于雙蝸殼隔板能有效阻擋從葉輪快速流出的液流，葉輪出口液流對隔板外側(cè)流體流動的影響明顯減弱，動靜干涉作用也明顯減小，因此,在啟動過程中隔板外側(cè)流體流動相對于隔板內(nèi)側(cè)更加平穩(wěn).P6點位于隔板外側(cè)末端，同樣由于隔舌與隔板對葉輪出口液流的阻礙作用，減弱了該位置處動靜干涉效應(yīng)，使得該點與P5點的壓力脈動曲線相近.

4 結(jié) 論

1) 在雙蝸殼離心泵啟動過程中，0.10 s內(nèi)，蝸殼內(nèi)部流速變化較為劇烈，隔舌及隔板初始位置出現(xiàn)高速區(qū)域，蝸殼入口處出現(xiàn)明顯的速度梯度；0.10 s后，高速區(qū)域逐漸減小，蝸殼入口處速度梯度減小，蝸殼內(nèi)部流動逐漸趨于穩(wěn)定，隔板外側(cè)流速均勻，且速度相對于內(nèi)側(cè)較小.

2) 由于葉輪與蝸殼隔舌及隔板之間存在動靜干涉效應(yīng)，啟動過程中，隔板初始位置和隔板末端位置的壓力脈動相對較明顯，同時，隔板外側(cè)的壓力脈動相對于隔板內(nèi)側(cè)較穩(wěn)定.