胡錦蘅，余　波，劉　彬，李文浩

(西華大學 能源與動力工程學院，成都 610039)

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離心泵內(nèi)部空化特性的數(shù)值模擬與試驗研究

胡錦蘅，余波*，劉彬，李文浩

(西華大學 能源與動力工程學院，成都 610039)

摘要：以一臺典型的清水式離心泵為研究對象，采用數(shù)值模擬和試驗研究的方法，對3種不同流量工況下的離心泵內(nèi)部空化特性進行了對比分析。結(jié)果表明：數(shù)值模擬與試驗結(jié)果存在一定差異，具體表現(xiàn)為小流量區(qū)比較吻合，大流量區(qū)差異較大；臨界汽蝕余量時，離心泵空化已經(jīng)很嚴重，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，初生空化發(fā)生在臨界汽蝕余量之前很長一段時間。因此后續(xù)應針對該泵展開初生空化研究。

關(guān)鍵詞：離心泵；數(shù)值模擬；空化特性；臨界汽蝕余量

0引言

空化現(xiàn)象是流體流動過程中局部壓力低于飽和蒸汽壓力以下時出現(xiàn)的空泡生成、長大、潰破現(xiàn)象，空化的發(fā)生會破壞離心泵內(nèi)流動的連續(xù)性，導致泵的揚程下降，引起軸系振動、噪聲，致使泵效率降低等特性變化，嚴重時會導致整個系統(tǒng)無法工作[1-2]。為了降低空化空蝕對離心泵造成的危害，對離心泵內(nèi)部空化性能的研究一直是國內(nèi)外研究的熱點和難點，眾多學者在試驗研究和數(shù)值模擬方面進行了大量的工作[3-8]。

在前人研究的基礎(chǔ)上，選取了3種不同的流量工況，分別利用CFD軟件[9]和泵閥試驗平臺，對一臺典型的清水式離心泵進行了空化數(shù)值模擬和空化試驗研究，分析離心泵內(nèi)部的空化性能，發(fā)現(xiàn)結(jié)果存在一定的差異。

1研究對象

本文研究的對象是IS100-80-125型清水式離心泵，其基本參數(shù)見表1。

表1　離心泵參數(shù)

根據(jù)表1相關(guān)參數(shù)，利用三維建模軟件UG對該離心泵進行三維全流道建模，考慮到實際連接情況，進、出口管道直徑為100 mm，因此在三維建模時，分別將進、出口管道的長度延長了200 mm，最終的三維模型見圖1。將離心泵三維模型導入專用網(wǎng)格生成器ICEMCFD中進行網(wǎng)格劃分，得到適應性較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格見圖2。

圖1　離心泵三維模型Fig.1　3D model of centrifugal pump

圖2　計算網(wǎng)格Fig.2　Computing mesh

2研究方法

2.1空化數(shù)值模擬

本次空化數(shù)值模擬采用基于交錯網(wǎng)格的SIMPLE算法實現(xiàn)對速度和壓力之間的耦合；應用有限體積法離散控制方程；對流項采用二階迎風離散格式，擴散項采用中心差分格式；近壁區(qū)域流動通過標準壁面函數(shù)法描述；多相流模型選用Mixture模型，空化模型采用Schnerr-Sauer 模型，使用RNG k-ε湍流模型封閉方程組[10]。

模擬時，邊界條件選用速度進口(velocity-inlet)和壓力出口(pressure-outlet) ，采用試驗所測得的大氣壓值以及水的飽和蒸汽壓力值作為離心泵空化數(shù)值模擬所對應的大氣壓值及其水的飽和蒸汽壓力值。在計算過程中，每個流量工況，均保持速度進口不變(確保流量恒定)，逐漸改變出口壓力值，最后計算各個工況下的汽蝕余量和揚程值，繪制出離心泵的汽蝕余量-揚程曲線，3種流量工況分別為：80、92、100 m3/h。

2.2空化試驗

2.2.1試驗原理

由于裝置的汽蝕余量隨裝置的變化而變化，因此可通過改變吸入裝置來改變汽蝕余量。本次空化試驗采用改變離心泵進出口閥門開度兩個調(diào)節(jié)參數(shù)而使流量保持不變的方法進行試驗，即先改變泵進口閥門的開度以改變吸入管路的阻力，使汽蝕余量改變，同時為了保持流量不變，還須調(diào)節(jié)出口閥門的開度。

2.2.2試驗方法

本次試驗是在泵閥試驗臺上進行，該試驗臺主要實現(xiàn)泵汽蝕試驗，設(shè)備包括水池、管道、離心泵、水環(huán)式真空泵、電機，試驗臺實物圖見圖3。

圖3　試驗臺實物圖Fig.3　Physical figure of test bench

試驗選取100、92、80 m3/h 3種流量工況，通過控制離心泵進出口閥門的開度，使流量計讀數(shù)保持不變，離心泵逐漸發(fā)生空化。從空化初生到加劇的過程中，用相關(guān)試驗儀器測量并記錄多組大氣壓、水溫、離心泵進出口壓力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等試驗數(shù)據(jù)，將試驗數(shù)據(jù)代入相關(guān)公式，計算每種工況下的揚程值和汽蝕余量值，最后繪制出汽蝕余量-揚程曲線[11]。

圖4　汽蝕余量-揚程性能曲線(模擬)Fig.4　NPSH-head curve(simulation)

3結(jié)果與分析

通過本次空化數(shù)值模擬，得到3種流量工況下，汽蝕余量和揚程之間的關(guān)系，見圖4?？栈跎鷷r和臨界汽蝕余量時汽泡在葉片表面的分布圖，見圖5、圖6。

由圖4可見，3個流量工況下都表現(xiàn)出相同的變化趨勢，即揚程隨著汽蝕余量的減小而減小，也即隨著空化逐漸嚴重，離心泵揚程先保持不變，而后出現(xiàn)拐點，急劇下降。這是由于隨著汽蝕余量逐漸減小，離心泵已經(jīng)發(fā)生了空化，但此時汽蝕余量值仍然大于臨界汽蝕余量，離心泵的揚程沒有發(fā)生變化；當汽蝕余量繼續(xù)減小，小于臨界汽蝕余量后，離心泵空化加劇，產(chǎn)生了大量的氣泡，堵塞了流道，導致了離心泵的性能下降。

由圖5可見，此時離心泵的葉片上只有輕微的汽蝕，可認為此時離心泵剛好發(fā)生初生空化；而圖6則表明，當離心泵處于臨界空化狀態(tài)時，葉片表面汽蝕很嚴重，導致離心泵的揚程開始下降，說明離心泵處于臨界汽蝕余量時，其內(nèi)部空化已經(jīng)相當嚴重。

圖5　3個工況下，空化初生時汽泡在葉片表面的分布Fig.5　When cavitation inception, bubble distribution in the blade surface, in the 3 conditions

圖6　3個工況下，臨界汽蝕余量時汽泡在葉片表面的分布Fig.6　When critical NPSH, bubble distribution in the blade surface, in the 3 conditions

利用泵閥試驗平臺，根據(jù)3種工況下測得的各項參數(shù)計算繪制出的汽蝕余量-揚程曲線見圖7。由圖7可見，試驗得到的汽蝕余量-揚程曲線同模擬得到的曲線具有相同的變化規(guī)律。

臨界汽蝕余量由在流量不變的條件下，揚程開始下降3%時所對應的汽蝕余量值來確定。通過計算，模擬和試驗的臨界汽蝕余量曲線見圖8。

由圖8可見，兩條曲線都是臨界汽蝕余量隨著流量的增加而逐漸增加，但試驗曲線較平緩，模擬曲線較陡峭。從理論分析來看，兩條曲線應該大致保持平行，并且試驗得到的臨界汽蝕余量值應該大于模擬得到的臨界汽蝕余量值，在小流量時兩者符合且數(shù)值很接近，而在大流量時試驗值反而小于模擬值，出現(xiàn)了較大的差異。

圖7　汽蝕余量-揚程曲線(試驗)Fig.7　NPSH-head curve(experiment)

圖8　臨界汽蝕余量曲線Fig.8　Flow-critical NPSH curve

4結(jié)論

1)通過對比分析，模擬得出的臨界汽蝕余量與試驗得出的臨界汽蝕余量具有相同的變化規(guī)律，但兩種方法下的臨界汽蝕余量值之間卻存在著一定的差異，具體表現(xiàn)為在小流量區(qū)時比較吻合，但在大流量區(qū)時差異較大。

2)在臨界汽蝕余量之前，初生空化已經(jīng)發(fā)生。當離心泵處于初生空化到臨界汽蝕余量狀態(tài)之間時，雖然其性能未發(fā)生改變，但內(nèi)部空化已經(jīng)相當嚴重。而通過數(shù)值模擬還可見，初生空化發(fā)生在臨界汽蝕余量之前很長一段時間，因此后續(xù)應針對該離心泵展開初生空化研究。

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Numerical simulation and experimental research of centrifugal pump cavitation characteristics

HU Jin-Heng，YU Bo*，LIU Bin，LI Wen-Hao

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039,China)

Abstract：A water centrifugal pump is taken as the object of the research, with the methods of numerical simulation and experimental researchs, centrifugal pump cavitation performance of 3 flow conditions is compared and analyzed. The result shows: there are some differences between numerical simulation and experimental results, the differences of low flow area are less than the large flow area;When is the critical NPSH, centrifugal pump cavitation is highly serious, and the initial cavitation took place in a long time before the critical NPSH. Therefore, initial cavitation research should be expanded for the pump in the future.

Key words：centrifugal pump; numerical simulation; cavitation characteristic;critical NPSH

DOI:10.13524/j.2095-008x.2016.01.016

收稿日期：2015-06-24;

修訂日期：2015-07-22

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51379179)

作者簡介：胡錦蘅(1991-)，男，四川射洪人，碩士研究生，研究方向:水利水電工程及自動化、計算監(jiān)控和仿真技術(shù),E-mail：361686333@163.com;通訊作者：余波(1965-)，男，四川西昌人，教授，碩士研究生導師，研究方向:水利水電工程及自動化、計算監(jiān)控和仿真技術(shù)等,E-mail：yubo@163.com。

中圖分類號：Tp11

文獻標志碼：A

文章編號：2095-008X(2016)01-0087-05

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1566.T.20160218.1458.006.html