張開輝

(福建水利電力職業(yè)技術學院，福建 三明 366000)

1 概述

生產(chǎn)生活中，泵是一種使用相當廣泛的通用機械。因此，泵從基礎理論研究到泵的結構優(yōu)化設計，都被國內(nèi)外知名學者和工程實踐者進行了廣泛的研究[1]。Jianjun Zhu等[2]對不同工況下氣液混輸泵進行分析，得出了混輸泵在進口夾帶氣體會使泵內(nèi)部壓力下降。李晨昊等[3]通過實驗驗證了進口含氣率的大小直接影響了泵內(nèi)部的運行性能。張開輝等[4]通過對氣液混輸泵在不同進口條件下的運行分析，并對過流部件進行了改型，得出導流器的改型對混輸泵的效率和揚程都有明顯的影響。閆思娜等[5]通過對單級水泵的在歐拉—歐拉均相流模型進行計算，得到隨著進口含氣率增加，外特性下降。Wenwu Zhang等[6]基于改進的歐拉雙流體模型的多級多相氣動泵相作用和氣含率分析，發(fā)現(xiàn)入口氣泡直徑的大小對氣相的分布影響顯著。楊晨宇等[7]通過對全新自主設計的混流式混輸泵開展數(shù)值研究，10%含氣率下，混輸泵能夠穩(wěn)定運行，導致性能輕微下降的原因是氣體的聚集。但是仍有許多氣體對泵影響規(guī)律需要進一步分析[8]。

本文針對離心式混輸泵在不同進口條件下進行CFX數(shù)值仿真計算，采用歐拉—歐拉非均相流條件下進行數(shù)值模擬。

2 泵的模型建立和網(wǎng)格劃分

2.1 基本參數(shù)

以某多級離心式氣液混輸泵中的首級作為主要研究對象。為滿足設計揚程和效率需求，該混輸泵總共設計為25級，包含了進出口，葉輪、擴壓器、導流腔5個部分。本次計算主要研究泵內(nèi)部氣液兩相流的發(fā)展和流動情況，本文選擇第1級泵進行全流道計算和分析。泵的基本參數(shù)見表1所示。

表1 氣液混輸泵的設計參數(shù)

2.2 模型介紹

采用Solid works及UG(Unigraphics NX)軟件聯(lián)合對離心混輸泵進行三維實體造型及計算流場的幾何模型簡化，簡化過程中忽略了葉輪及擴壓器等主要過流部件外的部分結構細節(jié)，不影響數(shù)值模擬的結果。

該多級氣液混輸泵主要過流部件包括葉輪、擴壓器及導流腔3部分，其中葉輪葉片數(shù)為z=7，導葉葉片數(shù)y=10，輸送介質為氣和水兩相流體，本文所研究的單級泵如圖1所示。

圖1 泵過流部件結構示意

2.3 網(wǎng)格劃分

采用ICEM 軟件對計混輸泵的計算模型進行網(wǎng)格劃分，其中葉輪、擴壓器和導流腔作為泵的主要過流部件，采用結構化網(wǎng)格對其進行劃分[5]?？紤]壁面流動的復雜性，在網(wǎng)格劃分時需要對壁面處進行局部網(wǎng)格加密，并妥善處理葉輪葉片及擴壓器中導葉尾部網(wǎng)格。導流腔則采用非結構網(wǎng)格，劃分時對導流腔與葉輪和擴壓器連接面處控制劃分網(wǎng)格的尺寸，以實現(xiàn)各個部分網(wǎng)格的對接，然后以此處為源網(wǎng)格向兩邊進行非結構網(wǎng)格劃分。在生成計算網(wǎng)格前檢查網(wǎng)格質量，滿足ICEM網(wǎng)格質量標準要求，并通過對單級離心式混輸泵數(shù)值模擬結果對比分析，進行網(wǎng)格無關性檢查(見圖2)。

單級混輸泵全流道網(wǎng)格總數(shù)為504萬，其中葉輪網(wǎng)格為215萬，擴壓器網(wǎng)格為185萬。

a 導流腔網(wǎng)格 b 葉輪網(wǎng)格 c 擴壓網(wǎng)格

3 數(shù)值計算方法及邊界條件

在 ANSYS CFX 16.0軟件中對該離心式混輸泵進行不同條件下的數(shù)值計算，該軟件采用基于有限元的有限體積法，離散方程采用全隱式耦合代數(shù)多重網(wǎng)格方法進行求解。

3.1 基本假設

本文計算混輸泵在清水及氣液兩相兩種介質情況下的外特性和內(nèi)部流動特性。計算時采用以下基本假設：

1) 流域進口氣和水兩相混合不均勻，主相為清水，第二相為氣體。

2) 氣相考慮其可壓縮性，在不同含氣率(GVF)條件下氣相為離散相，水為連續(xù)相。

3) 由于介質流經(jīng)設備時間很短，散熱很小，和外界無熱交換，忽略氣液兩相間的熱交換。

3.2 數(shù)值模擬

邊界條件的設置：進口為靜止部件，采用總壓進口條件，p=1 atm,參考壓力為1 atm。出口采用質量流量邊界條件，計算域壁面采用無滑移網(wǎng)格函數(shù)。在穩(wěn)態(tài)計算過程中，對于動靜域交界面采用“Frozen rotor”[9],計算設置為高階求解精度， 殘差設置為10-5，Physical Timescale設置為1/w=0.002 s,定義葉輪部分為旋轉域，轉速為3 500 r/min。

根據(jù)假設條件，本文在不同含氣率條件下，將氣相選擇軟件材料庫中Air Ideal Gas，液相選擇Water，兩相流模型選擇混合模型(Mixture)相間傳遞單位為0.5 mm，并設置為速度壓力耦合?？紤]氣體所受到的浮力作用，方向與流體流動方向一致，沿著Z軸正方向，重力大小為9.81 m/s2。最后設定表面張力系數(shù)(surface tension coefficient)為0.073 N/m，以反映表面張力對流體流動的影響。選擇SST湍流模型在CFX數(shù)值模擬軟件中進行計算。

4 計算結果分析

4.1 外特性分析

混輸泵的揚程和效率的計算不同單相泵的簡單定義，加上氣相為可壓縮性，歐拉形式的揚程計算公式也不再適用。本文通過學習以往學者對混輸泵外特性的定義，最終采用不考慮氣體內(nèi)能變化以及整機熱力系統(tǒng)與外界無熱交換的恒溫條件下簡化的混輸泵揚程及效率計算公式[10]如下。

混輸泵揚程計算：

H=(1-α)Hl+αHg

(1)

假設氣液兩相流動的氣體為離散的泡狀流流體，連續(xù)性方程和動量方程根據(jù)伯努利方程[11]推導，則水氣兩相的揚程分別表述：

(2)

(3)

式中：

α——氣體質量含氣，α=mg/(ml+mg)；

Rn——單位物質的量的氣體摩爾常數(shù)，Rn=R/M；

M——氣體摩爾質量；

T——溫度為298.15 K。

混輸泵效率計算公式[13]：

(4)

其中：泵輸入功率Pin=Torq·ω=Torq·2πn/60；泵的輸出功率Pout=ρ合gQH。

本文采用設計流量條件Q=26 m3/h時，在相同的設置條件下，通過對該離心式氣液混輸泵進行三維全流道數(shù)值模擬計算，預測了幾種不同含氣率及不同流量工況條件下該泵的水力性能(如圖3所示)。

圖3 3個工況不同含氣率的揚程曲線示意

由圖3可以看到1%～10%含氣率從1.2～0.8Q工況下，揚程在1%含氣率條件下都有一個最大值，通過上述對混輸泵的揚程和效率的計算公式的推導可知，混輸泵的揚程與單相泵的揚程和效率的定義是不同的，本文首先計算了氣體含量為1%的工況作為混輸泵的初始條件，與其他工況進行比較。圖3在數(shù)值模擬結果中，可以看出：隨著入口含氣率不斷增大，混輸泵的揚程曲線下降十分明顯。在3個工況下，流量較小的工況，反而揚程越大。隨著進口含氣率的變化，揚程變化趨勢相似。在從1%～10%含氣率之間，1.2Q、1.0Q、0.8Q3個工況下，揚程下降分別為：13.05 m、11.73 m、11.5 m。這主要是因為氣體的存在使得混合液體在混輸泵內(nèi)的流動狀態(tài)發(fā)生了變化，特別是氣體含量增加時，氣相與液相兩者相互影響阻礙，導致兩相揚程分別產(chǎn)生不同程度的降低。

如圖4所示，在不同流量工況下，效率曲線也是呈現(xiàn)相似下降的趨勢，其原因和揚程的變化一樣，主要是氣液混合狀態(tài)下氣液的相互阻礙，導致其外特性的變化。

圖4 3個工況不同含氣率的效率曲線示意

4.2 混輸泵內(nèi)部定常流動分析

在設計流量條件下，探究混輸泵進口含氣量分別為1%、3%、5%、7%、10% 4種情況下混輸泵內(nèi)部流動問題，并對模擬結果進行整理分析，氣體分數(shù)分布如圖5所示。在圖5中，橫坐標位置1～7分別對應圖6中的內(nèi)中外3個部位從左到右的點。其中，圖5a對應靠近出口處的外圈，圖5b對應的事中間部位的部位，圖5c對應的是靠近進口的內(nèi)圈。

a 氣相速度矢量圖

a 葉輪內(nèi)部氣體速度

a 靠近出口流道處氣體分數(shù)

圖6 葉輪流道的3個不同部位位置點的布置示意

由圖7可知，含氣率的變化在1%進口含氣率時，只在出口葉片尾部處有少量的氣體聚集。當?shù)竭_3%含氣率時，出現(xiàn)明顯的氣泡發(fā)展過程，從葉片壓力面逐漸向葉片吸力面發(fā)展。當進口含氣率達到10%時，出現(xiàn)了巨大氣體聚集，此時液相流道變窄，液相流速增大、壓力減小，氣泡進一步增大。

圖7 葉輪內(nèi)部氣體分布示意

如圖8所示，氣液兩相在葉輪中呈現(xiàn)相同的變化趨勢，速度大小也很接近。在靠近出口處的圖8中可知，在第2計算點中，氣液流速都出現(xiàn)一個極低值，這主要是在該處有大量的氣體聚集滯留，同時也阻礙了水流的通過。整體流線呈現(xiàn)一個增大的趨勢， 在矢量圖中會有更具體直觀的體現(xiàn)。

如圖9所示，從左到右分別為1%～10%進口含氣率的矢量分布。根據(jù)圖8矢量分布可以看出，葉輪整體來看，隨著氣相含氣率的增大，低速區(qū)也同步增大。低速區(qū)域往往會產(chǎn)生旋渦，根據(jù)圖9中可知，葉輪出口葉片尾部會有較大的旋渦產(chǎn)生， 吸力面的流線比壓力面更加流暢。

5 結語

在進口含氣率逐漸增加的情況下，葉輪外特性的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性:

1) 揚程和效率逐漸降低，進口含氣率在7%以后會出現(xiàn)一個比較大的下降趨勢。

2) 在流道中，靠近進口、中間和出口3個部位的氣體分布，在含氣率逐漸增大時，呈現(xiàn)不太強的規(guī)律性，但是從進口到出口，整體含氣率呈上升趨勢。

3) 氣液兩相的流速都具有相同的變化情況，且呈現(xiàn)整體增大的趨勢，其中部分點的速度波動是由于氣體的局部聚集，產(chǎn)生局部旋渦。

4) 由于本次計算進口定為均勻入流，相比實際情況的不確定性，無法得到更加貼近真實的情況，今后需要尋找隨機入流的情況下的計算方法，有待進一步探究。