摘" " " 要： 基于CFX軟件中的Eulerian-Eulerian非勻相流模型，對某型離心泵內(nèi)部流動特性進行仿真模擬。結果表明：隨著進口含氣率增加，葉輪流道內(nèi)流體分布不均勻度增加，葉輪對流體做功能力下降，同時離心泵葉輪流道會出現(xiàn)氣體積聚區(qū)域，且部分流道被氣體嚴重堵塞；氣液兩相工況下，葉輪流道內(nèi)會產(chǎn)生較大的渦旋，隨著進口含氣率增加，葉輪流道內(nèi)的流體湍動程度及渦旋擴散范圍也隨之增大，造成泵的揚程、效率降低。

關" 鍵" 詞：離心泵；氣液兩相；流動特性；仿真計算

中圖分類號：TH311" " " 文獻標識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2023）02-0232-03

由于離心泵具有體積小、重量輕、效率高、結構簡單等特點，在工業(yè)生產(chǎn)、國防工業(yè)等行業(yè)中有廣泛應用 [1-2]。由于離心泵在氣液兩相工況下，易出現(xiàn)流量、揚程大幅度波動，甚至出現(xiàn)氣縛[3]，對生產(chǎn)及武器裝備的可靠運行，產(chǎn)生較大的負面影響。

目前，國內(nèi)外學者對氣液兩相下泵的流動特性進行了大量研究。王冕[4]采用Fluent軟件對Q25H52離心泵內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，得到了氣液兩相條件下泵內(nèi)部壓力、速度及氣相分布規(guī)律。付強等[5]基于CFX軟件，研究了葉輪葉片進口邊位置對核主泵氣-液兩相流動特性的影響，得到泵內(nèi)壓力脈動特性。張有忱等[6]采用Fluent的RNG k-ε湍流模型，進行了氣液兩相流工況下迷宮螺旋泵的模擬計算，得到了流道內(nèi)不同截面上的壓力、速度以及含氣率分布。

離心泵在氣液兩相工況下運行極不穩(wěn)定，易出現(xiàn)流量、揚程大幅度波動。為進一步提升離心泵運行的穩(wěn)定性及可靠性，本文對氣液兩相工況下的離心泵流動特性進行研究。

1" 幾何模型及網(wǎng)格劃分

1.1" 模型泵

以某型離心泵作為研究對象，其主要性能參數(shù)：額定流量Q=7 m3·h-1、揚程H=37.5 m、轉(zhuǎn)速n=6 000 r·min-1，比轉(zhuǎn)數(shù)ns=63.7。主要設計幾何參數(shù)為：葉輪進口直徑Dj=28 mm，葉輪出口直徑D2=84 mm，葉輪出口寬度b2=4 mm，葉片數(shù)Z=6。

1.2" 網(wǎng)格劃分

采用Pro/E三維軟件對葉輪、蝸殼進行建模，為了保證計算準確性，在葉輪進口、蝸殼出口增加延伸段。采用ICEM對計算域進行非結構化網(wǎng)格劃分，對葉輪進出口邊、蝸殼隔舌等部位網(wǎng)格進行了加密處理，并進行網(wǎng)格無關性驗證[7]。

2" 數(shù)值計算方法及邊界條件

采用ANSYS-CFX進行數(shù)值模擬計算，基于Eulerian-Eulerian非勻相流模型對計算域求解[8]，液相選用標準k-ε雙方程模型，氣相選用湍流零方程模型。模擬時采用直徑遠小于流道尺寸的球形氣泡，并考慮氣液兩相間的能量傳遞、速度滑移作用，并做如下假設：（1）液相為連續(xù)相、氣相為不可壓縮離散相；（2）忽略氣液兩相間的傳質(zhì)傳熱；（3）進口氣相體積分數(shù)為常數(shù)[9]。

在CFX中設置葉輪流道區(qū)域為旋轉(zhuǎn)坐標系，葉輪-蝸殼、葉輪-進口段、蝸殼-出口段接觸面采用交界面連接。固壁面采用對空泡自由滑移、對液相無滑移的邊界條件，近壁區(qū)的壁面函數(shù)采用scalable。設置壓力進口與速度出口邊界條件，在進口設置氣液兩相體積分數(shù)來控制進口含氣率（文中的進口含氣率均指氣相占混合相的體積分數(shù)，inlet gas volume fraction簡稱 IGVF），本文主要分析了進口含氣率為0%、2.5%、5%、7.5%和10%的工況下的離心泵流動特性。

3" 計算結果與分析

3.1" 壓力分布

圖1為不同進口含氣率工況下葉輪中截面壓力分布圖。由圖中可以看出：在葉輪進口位置的葉片吸力面存在局部低壓區(qū)，由于葉片對流體做功，流道內(nèi)壓力隨著葉輪半徑增大而逐漸增大；隨著進口含氣率增大，靠近葉片吸力面的低壓區(qū)范圍也隨之增大，葉片工作面高壓區(qū)范圍隨之減小，且葉輪流道內(nèi)的壓力分布也更加不均勻。這主要是由于隨著進口含氣率增大，氣泡排擠作用使部分葉輪流道過流面積減少、流體分布不均勻度增加，葉片對流體做功能力下降，同時，氣液兩相間的滑移作用，會產(chǎn)生較大的能量損失，造成葉輪內(nèi)壓力值隨進口含氣率增加而降低。

3.2" 氣相體積分布分析

圖2為不同進口含氣率工況下葉輪中截面含氣率分布圖。

由圖中可以看出，在進口含氣率為2.5%時，氣體主要積聚在葉片工作面進口處；隨著進口含氣率增大，氣相逐漸向葉輪流道中間位置擴散，氣體積聚范圍也隨之擴大；當進口含氣率達到7.5%時，葉輪流道內(nèi)出現(xiàn)了大范圍的氣體積聚現(xiàn)象，部分流道被大量氣體堵塞；進口含氣率為10%工況與進口含氣率為7.5%工況相比，氣體積聚的影響范圍有所擴大。結合圖1可知，發(fā)生氣體積聚的主要區(qū)域也是壓力較低的區(qū)域。這主要是由于氣體積聚導致流道內(nèi)流體分布不均勻，葉輪對該部分流體做功不充分，造成含氣率較高的流道內(nèi)流體獲得能量較小。

3.3" 湍動能分布分析

圖3為不同進口含氣率工況下葉輪中截面湍動能分布圖。由圖3可知，隨著進口含氣率增大，葉輪流道內(nèi)的流體湍動程度及湍流擴散范圍也隨之增大，這主要是因為含氣率增大，葉片對流體做功更加不均勻，部分高能流體受到離心力影響，與流道內(nèi)的低速流體相互碰撞，從而導致流體湍動程度及湍流擴散范圍變大。由圖中也可以看出，部分葉輪流道存在高湍動能區(qū)，且高湍動能區(qū)主要集中在靠近進口區(qū)域葉片吸力面和出口區(qū)域葉片工作面，這是由于流體流經(jīng)葉片進口邊位置時，葉片吸力面會對流體產(chǎn)生較強的卷吸作用，速度變化較劇烈，從而導致進口區(qū)域葉片吸力面湍動能較大；而高速旋轉(zhuǎn)的液體從葉輪流道流出后，進入蝸殼流道區(qū)域，流體受到葉片出口邊工作面較強的剪切作用，湍動程度較大且速度變化比較劇烈，因而湍動能較大。

3.4" 渦量分布分析

圖4為不同進口含氣率工況下葉輪中截面渦量分布圖。渦是渦量集中的區(qū)域，渦量極大的地方一般是渦的中心[10]。由圖4可知，在進口含氣率為0%的時候，僅在靠近蝸殼隔舌位置的葉輪出口存在較大的渦量分布，葉輪流道內(nèi)未出現(xiàn)明顯的渦旋區(qū)域；隨著進口含氣率增大，葉輪流道內(nèi)出現(xiàn)渦量較大的區(qū)域，且渦量分布范圍也隨之擴大，這表明泵輸送液體中含有氣體時，流道內(nèi)會產(chǎn)生較大的渦旋，且含氣率增大會導致渦旋的影響范圍擴大，渦旋的生成、傳播及其能量耗散也是造成流量、揚程波動的主要因素。

3.5" 離心泵揚程及效率分析

表1為不同含氣率下離心泵揚程及效率變化記錄。

可以看出，隨著進口含氣率增大，揚程及效率均隨之降低，造成揚程及效率下降的主要原因是：1）進口含氣率增大，流道內(nèi)氣液兩相分布不均勻度增加，葉輪對流體做功不充分，使揚程、效率下降；2）隨著進口含氣率增大，由于氣液兩相間存在滑移作用，會出現(xiàn)氣體聚集、堵塞流道的現(xiàn)象，誘發(fā)葉輪流道內(nèi)出現(xiàn)較大的渦旋、湍動能損耗，造成揚程、效率降低。

4" 結 論

根據(jù)CFD數(shù)值模擬結果分析，得到以下結論：

1）隨著進口含氣率增加，離心泵葉輪對流體做功能力下降，葉輪內(nèi)壓力逐漸降低。

2）隨著進口含氣率增加，離心泵葉輪流道出現(xiàn)氣體積聚區(qū)域，部分流道會被氣體嚴重堵塞；氣體積聚的主要區(qū)域也是壓力較低的區(qū)域。

3）葉輪流道內(nèi)的流體湍動程度及湍流擴散范圍隨著進口含氣率增大而增大。

4）氣液兩相工況下，葉輪流道內(nèi)會產(chǎn)生較大的渦旋，且渦旋的影響范圍隨含氣率增大而增大。

參考文獻：

［1］畢智高，張玲玲，賈冰，等.葉片數(shù)對離心泵性能影響的數(shù)值模擬[J].當代化工，2021，50（05）：1136-1139.

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［3］陳佩賢.氣液兩相下離心泵內(nèi)全流場流動特性分析[J].機床與液壓，2021，49（08）：166-171.

［4］王冕.氣液兩相流泵含氣量對泵性能的影響研究[D].武漢工程大學，2013.

［5］付強，邢樹兵，朱榮生，等.核主泵葉輪葉片進口邊位置對氣液兩相流動特性的影響[J].核動力工程，2016，37（03）：87-93.

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［7］劉厚林，杜欣來，吳賢芳，等.氣液兩相流工況下泵內(nèi)氣相特征數(shù)值計算[J].排灌機械工程學報，2022，40（03）：238-243.

［8］王秀禮.核主泵內(nèi)多相流動瞬態(tài)水力特性研究[D].江蘇大學，2013.

［9］付強，習毅，朱榮生，等.含氣率對AP1000核主泵影響的非定常分析[J].振動與沖擊，2015，34（06）：132-136.

［10］林鵬，胡東，王舒，等.含沙空化對軸流泵內(nèi)渦量分布的影響[J].中國農(nóng)村水利水電，2021（02）：124-132.

Study on the Flow Characteristics of the Centrifugal Pump

Under Gas-liquid Two-phase Flow

XING Shu-bing， LI Xue-hai， LI Hang， HAO Wei-min， GAO Xin-long

（No.18 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Tianjin 300384， China）

Abstract：" Based on the Eulerian-Eulerian inhomogeneous multiphase flow model in the CFX software，the flow internal characteristics of the centrifugal pump were simulated. The results showed that， with the increasing of IGVF （inlet gas volume fraction）， the unevenness of the fluid distribution in the impeller flow channel increased， and the impeller's ability to work on the fluid decreased. There were some gas accumulation areas in the flow channel of the impeller， and part of the flow channels were seriously blocked by gas. Under the gas-liquid two-phase condition， large vortexes were generated in the impeller channels. The degree of the fluid turbulence and the range of vortex diffusion in the impeller flow channels gradually expanded with the increasing of IGVF， resulting in a decrease in the pump head and efficiency.

Key words： Centrifugal pump; Gas-liquid two-phase flow; Flow characteristics; Simulation