鄭楠，茹煜*，汪東，叢靜華

(1.南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院，南京210037；2.南京森林警察學(xué)院，南京210023)

三級林用消防泵內(nèi)部流場模擬及分析

鄭楠1，茹煜1*，汪東2，叢靜華2

(1.南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院，南京210037；2.南京森林警察學(xué)院，南京210023)

林用消防泵在森林防火作業(yè)中是一種效率高、應(yīng)用廣泛的滅火裝備，泵內(nèi)流體在湍流運動過程中的各物理參數(shù)，如速度、壓力、溫度等都是隨時間與空間而隨機變化的，是個隨機的非線性過程。為了更好地設(shè)計滿足復(fù)雜條件下的林火迅速撲救的大流量、高揚程、質(zhì)量輕的便攜式林用消防泵，在結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行了泵內(nèi)流場模擬，分析了林用消防泵的三級提壓工作原理。運用FLUENT軟件首次模擬了Q為62，105，175，262和340 L/min工況時的三級林用消防泵內(nèi)部流場，建立了5種工況三級森林消防泵的整機流域模型，并根據(jù)模擬結(jié)果預(yù)測了泵的揚程。相比其他工況，處于流量Q=175 L/min工況時的整機流場壓力分布比較合理，葉輪流域、葉輪蝸殼耦合區(qū)域以及蝸殼流體區(qū)域的作用效果都比較好，流體流動比較穩(wěn)定。此外，搭建了水泵性能測試系統(tǒng)，開展了5種流量工況條件下的水泵性能試驗，將測試計算結(jié)果與模擬預(yù)測值進(jìn)行了對比分析。結(jié)果顯示，模擬預(yù)測的揚程與試驗計算揚程基本吻合，表明運用FLUENT軟件所建整機流域模型對三級林用消防泵的工作性能模擬預(yù)測是可行的。同時，在流量Q=175 L/min時，其射程達(dá)到117.68 m，滿足便攜式林用消防泵的設(shè)計要求，可以達(dá)到遠(yuǎn)距離滅火的目的。

計算流體力學(xué)(CFD)；林用消防泵；流場模擬；工況分析

森林火災(zāi)不僅會造成森林破壞，還會給國家和社會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)損失。以林用消防泵、林用消防車作為載體的水滅火方式，可以實現(xiàn)流體的遠(yuǎn)距離、高射程輸送，有效控制和撲滅森林火災(zāi)[1]。但目前我國主要采用的是城市和工礦消防用的泵，往往由于其射程低(<80 m)、質(zhì)量大(發(fā)動機功率>8 820 W，發(fā)動機功率越大，整機質(zhì)量就越大)，不足以滿足森林消防需要[2]。因此，研制大流量、高揚程、質(zhì)量輕的便攜式林用消防泵非常必要。

林用消防泵屬于多級離心泵，泵內(nèi)流體在湍流運動過程的各物理參數(shù)，如速度、壓力、溫度等均隨時間與空間而隨機變化的，是個隨機的非線性過程[3]。若水泵過流部件水力設(shè)計得不合理，在離心泵運行過程中會出現(xiàn)明顯的分離流、回流和二次流等復(fù)雜的流動現(xiàn)象，它們將會影響到泵整機性能[4]。因此，此次研究針對所設(shè)計的便攜式三級提壓林用消防泵，采用FLUENT軟件對流域模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同工況下三級林用消防泵的內(nèi)部的流動規(guī)律，并對三級林用消防泵的工作性能進(jìn)行預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行比較分析，為進(jìn)一步優(yōu)化林用消防泵結(jié)構(gòu)，提高其工作性能奠定理論基礎(chǔ)。

1 三級林用消防泵內(nèi)部流場建模

為了實現(xiàn)林用消防水泵大流量、高揚程、質(zhì)量輕的需求(即在5 880 W動力條件下，水泵不少于110 m揚程時，流量不少于90 L/min，質(zhì)量小于30 kg)，林用消防泵采用了三級提壓技術(shù)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1. 泵體；2. 螺紋口；3. 一級加壓葉輪；4. 導(dǎo)葉；5. 二級加壓葉輪；6. 三級加壓葉輪；7. 底座；8. 主軸圖1 三級提壓消防水泵裝備圖Fig. 1 Diagram and photo of the triple-stage fire pump

消防泵泵體由蝸殼、三級葉輪、導(dǎo)葉、底座、主軸等幾部分組成。泵體全部采用鑄鋁件，整個消防泵的質(zhì)量在25 kg左右，實現(xiàn)了消防泵的質(zhì)量輕要求。該葉輪為徑流式葉輪，它是由前、后蓋板和蓋板之間的葉片組成。工作時，當(dāng)發(fā)動機帶動主軸上的第一級加壓葉輪高速旋轉(zhuǎn)，充滿在第一級加壓葉輪內(nèi)的液體，從葉輪中心沿著葉片間的流道甩向葉輪的四周，壓力和速度同時增加，液體受到葉片的作用，將經(jīng)過第一級導(dǎo)葉的流道引向次一級的葉輪。第二級加壓葉輪接收到來自第一級導(dǎo)葉引入的流體，在第二級葉輪離心力作用下甩向葉輪的四周，流體繼續(xù)被第二級導(dǎo)葉流道引導(dǎo)流向次級，隨著葉輪級數(shù)的增加，流體的動能和壓能也逐級增加。當(dāng)流體進(jìn)入泵殼之后，由于蝸殼型泵殼的流域逐漸擴(kuò)大，流體的流速開始逐漸降低，一小部分的動能轉(zhuǎn)化成靜壓能，其余的動能便讓流體以較高的壓強從泵出口排出。

1.1 建立部件流域模型

由于FLUENT軟件對水泵的數(shù)值模擬并非水泵的葉輪，導(dǎo)葉以及蝸殼的實體，而是水流流過以上部件的區(qū)域。因此在實體模型的基礎(chǔ)上，采用布爾運算[5-7]，分別對各個部件模型進(jìn)行布爾運算，得到各級葉輪、導(dǎo)葉、蝸殼、蝸殼葉輪耦合處等各個流域模型，在不影響總體流域的情況下，將各級流域在同一軸上按照一定的規(guī)律進(jìn)行疊加，形成三級流域，最后將三級流域與耦合處流域進(jìn)行擬合，形成三級林用消防泵的整機流域模型，如圖2所示。

圖2 三級森林消防泵的流域模型Fig. 2 The watershed model of the triple-stage forest fire pump

1.2 設(shè)置過流部件流域的邊界條件

考慮到離心泵整機流場的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，上述PRO/E流域模型導(dǎo)入到ICEM，采用了Tgrid方法進(jìn)行了四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并依據(jù)每個過流部件流域設(shè)置了邊界條件。根據(jù)離心泵進(jìn)口流道特點，采用速度進(jìn)口邊界條件[8]；在出口邊界中選用出流無滑移作為邊界條件[9]；在壁面上有平動或者轉(zhuǎn)動時，定義一個切向速度分量作為邊界條件[10]；將轉(zhuǎn)動壁面的移動速度設(shè)為零；設(shè)置蝸殼的內(nèi)表面為靜止的壁面[11]。由于葉輪流體區(qū)域分為旋轉(zhuǎn)區(qū)域和蝸殼流體的靜止區(qū)域兩部分[12]，因此，本研究采用了FLUENT中動靜區(qū)域的多參考坐標(biāo)系耦合模型[13-15]，即為MRF(multiple reference frame)模型。根據(jù)以上邊界條件的定義，本研究對葉輪流域以及整機流域進(jìn)行了邊界條件設(shè)置和網(wǎng)格劃分，葉輪流域的網(wǎng)格總數(shù)是9 493個，節(jié)點為1 708，網(wǎng)格質(zhì)量0.45；整機流域的網(wǎng)格總數(shù)為28 479個，節(jié)點總數(shù)為5 123個，網(wǎng)格質(zhì)量為0.42，最小的網(wǎng)格為0.027，最大的網(wǎng)格為1.2，能被所選擇的求解器解出，具體見圖3。

圖3 邊界條件Fig. 3 Boundary conditions

1.3 整機流場模擬及分析

本研究三級提壓離心泵基本參數(shù)為：葉輪的葉

片數(shù)為Z=5，葉輪進(jìn)出口直徑分別為D1=42 mm、D2=75 mm，設(shè)定泵流量Q=175 L/min，泵的轉(zhuǎn)速n=6 000 r/min，泵的入口壓力p=101 325 Pa，即為大氣壓力。輸送流體為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的水，密度為1.09×103kg/m3，流體黏度為0.000 8 Pa·s。將上述定義好的參數(shù)置入FLUENT中進(jìn)行運算模擬，本研究選用的湍流模型是Realizablek-ε模型，采用SIMPLE算法進(jìn)行流場數(shù)值計算；兩者的結(jié)合，可以計算較為復(fù)雜的湍流運動，并能較為準(zhǔn)確地預(yù)測湍流運動情況。

三級林用消防泵整機流域速度及壓力矢量分布圖見圖4。Q=175 L/min工況時，三級林用消防泵整機內(nèi)部流場速度矢量分布圖見圖4a?？梢钥闯觯谌壛钟孟辣玫墓ぷ鬟^程中，流體的最大流速出現(xiàn)在葉輪蝸殼耦合面處，最小流速出現(xiàn)在葉輪的進(jìn)口附近。葉輪內(nèi)部和蝸殼出口處的流場分布比較好，沒有出現(xiàn)大量的速度不均勻現(xiàn)象，相對速度比較穩(wěn)定。流體從葉片進(jìn)口開始到葉片出口，相對速度逐漸增大，葉輪蝸殼耦合面處速度達(dá)到最大，蝸殼內(nèi)流動相對平穩(wěn)，伴隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，順著蝸殼導(dǎo)流方向速度不斷升高，到達(dá)泵的出口位置，相對速度才逐漸減小，同時也可以看出蝸殼出口速度也比較均勻。Q=175 L/min工況時，三級林用消防泵整機內(nèi)部流場壓力分布圖見圖4b。可以看出，在整機內(nèi)部流場內(nèi)分有高壓區(qū)和低壓區(qū)，高壓區(qū)主要分布在葉輪蝸殼的耦合面處和蝸殼流體區(qū)域，低壓區(qū)主要分布在葉輪流動區(qū)域和葉輪進(jìn)口區(qū)域。流體的壓力分布比較均勻，從葉輪進(jìn)口到蝸殼出口，沿著出流方向壓力呈現(xiàn)逐步增加的趨勢。此外，在葉輪蝸殼耦合面與蝸殼流體交界處，即蝸舌處，出現(xiàn)一定的低壓區(qū)，主要原因是因為蝸舌處的流體流動比較紊亂，流體間的運動發(fā)生互相抵觸導(dǎo)致的。

圖4 整機流域速度及壓力矢量分布圖Fig. 4 Velocity and pressure vector distribution in the whole flow field

1.4 不同流量工況下整機流場模擬分析

1.4.1 整機流場速度模擬及分析

4種不同工況下的離心泵整機流場模擬速度分布見圖5。對比分析可知，整體上泵內(nèi)的速度分布狀況較為一致，但不同流量下各個區(qū)域的速度大小不一致，隨著進(jìn)口流量的增加，離心泵整機的出口流速在逐漸地減小，這個符合流體在離心泵內(nèi)部的運動規(guī)律。當(dāng)進(jìn)口流量較小時，如圖5a、b所示，在流量為0.35Q和0.60Q的工況下，水泵的流速在蝸殼流體區(qū)域變化很快，到蝸舌附近處明顯看到速度變化已經(jīng)達(dá)到最大。特別在0.35Q的情況下，在靠近蝸舌位置的葉輪流域中，由于進(jìn)口流量小，葉輪的旋轉(zhuǎn)速度很大，流體在這個部位的流動很不穩(wěn)定，速度變化量極快，到達(dá)蝸殼出口時，速度已經(jīng)降低。當(dāng)進(jìn)口流量過大時，如圖5d所示，在蝸殼流體區(qū)域局部會出現(xiàn)沖擊速度很大的狀況，而且流體在大流量的工況下運動規(guī)則紊亂。相比0.35Q、0.60Q、1.50Q和2.00Q的工況，在流量為1.00Q的工況下，離心泵的整機內(nèi)部速度流場較為規(guī)則，流動相對穩(wěn)定，處于合理的分布狀況，從而在Q=175 L/min工況時，離心泵的工作性能能達(dá)到最好。

圖5 不同工況下整機流域速度矢量分布圖Fig. 5 Velocity vector distribution in the whole flow field in different cases

1.4.2 整機流場壓力模擬及分析

4種不同流量工況下的離心泵整機壓力分布見圖6，對比分析可以看出，隨著流量的增加，離心泵整機內(nèi)的流體的壓力是在逐漸減小的。由圖6a、b可見，在小流量工況下壓力分布很不均勻，不同區(qū)域所產(chǎn)生的壓力梯度較大，高壓區(qū)與低壓區(qū)分化得較為嚴(yán)重，同時流量越小，葉輪進(jìn)口的負(fù)壓部分就越多，越容易產(chǎn)生回流氣蝕現(xiàn)象。在蝸殼流體區(qū)域，特別是蝸舌與蝸殼流體背面壓差較小，壓力變化不是很大，但相比葉輪蝸殼耦合面，壓差較大。由于蝸殼對于流體將動能轉(zhuǎn)化為壓能的過程中起到明顯的作用，這種較大壓差會使得蝸殼耦合面與蝸殼流體交界處的壓力損失增大，從而引發(fā)壓力過低的現(xiàn)象，蝸舌處壓力過小且下降速度過快都會引發(fā)氣蝕現(xiàn)象，這種狀況會直接影響到離心泵的外特性性能。從圖6c、d中可見，隨著流量的增大，流體在蝸殼內(nèi)局部出現(xiàn)高壓區(qū)，與小流量工況類似，產(chǎn)生的壓力梯度較大，從而使能量損失較大。相對于0.35Q，0.60Q，1.50Q和2.00Q，在Q=175 L/min工況時，整機的壓力分布較好，蝸殼的增壓作用比較強，壓力沿著流體流動的方向逐步增加，而且壓力的梯度較小，強度相對穩(wěn)定。

圖6 不同工況下整機流域壓力矢量分布圖Fig. 6 Pressure vector distribution in the whole flow field in different cases

1.5 揚程預(yù)測

通過FLUENT中的表面積分功能，可以模擬得到三級林用消防泵的進(jìn)出口壓力值，以及進(jìn)出口處的速度，根據(jù)公式(1)可以預(yù)測泵的揚程，即泵出口的總水頭與進(jìn)口總水頭之差[16-17]。

(1)

式中：pout為泵的出口位置處的壓力，Pa；pin為泵的進(jìn)口位置處的壓力，Pa；vout為泵的出口速度，m/s；vin為泵的進(jìn)口速度，m/s；ρ為流體密度，取998.2 kg/m3。

2 三級林用消防泵的性能試驗及分析

2.1 試驗方法

為驗證上述模擬結(jié)果，自行設(shè)計試驗裝置，主要包括：試驗臺架、油箱、直徑為40 mm水管、流量控制閥門、壓力表、真空表、流量計、轉(zhuǎn)速計等。試驗臺架采用型鋼焊接而成，主要起支撐作用。工作時，各個儀表校零，啟動發(fā)動機，調(diào)節(jié)流量控制閥，水泵從水源抽水并將水經(jīng)過三級林用消防泵輸送至噴頭后噴出。通過流量計、壓力表可以獲得不同流量條件下入口壓力、出口壓力及揚程。試驗時，通過轉(zhuǎn)速計將發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制在6 000 r/min左右。

2.2 揚程計算

在上述試驗系統(tǒng)中，已知流量Q和水管的直徑D的情況下，速度v1可以用下面公式計算：

(2)

在進(jìn)口截面處裝上真空表，在出口截面處裝上出口壓力表，根據(jù)伯努利方程[18]：

(3)

式中：下標(biāo)1表示進(jìn)口截面；下標(biāo)2表示出口截面。

由于進(jìn)口截面1和出口截面2的距離很短，就可以忽略摩擦損失Hf，于是：

(4)

式中：z1為進(jìn)口截面處真空表的安裝高度，m；z2為出口截面處壓力表的安裝高度，m，由于本研究中進(jìn)出口真空表與壓力表安裝在同一水平高度，所以z1=z2；p1為進(jìn)口截面處真空表的壓力值，Pa；p2為出口截面處壓力表的壓力值，Pa；v1為進(jìn)口截面處的水流速度，m/s；v2為出口截面處的水流速度，m/s；p1、p2、v1、v2均可以通過試驗直接獲得，其中預(yù)測值為模擬仿真得到的數(shù)據(jù)。

2.3 試驗及模擬結(jié)果分析

通過對不同工況下?lián)P程的預(yù)測與實驗數(shù)據(jù)的比較分析(表1)可知，流量為0.35Q～1.50Q試驗值和模擬預(yù)測值的揚程誤差均在合理的范圍之內(nèi)(<5%)。當(dāng)流量為2.00Q時，誤差為10.40，超過5%，這主要是因為泵內(nèi)汽蝕所引起的，另外原因是當(dāng)流量越大，單位管道所受的重力較大，會有部分管道因為重力作用有所滑動，導(dǎo)致所測揚程偏差較大。通過模擬計算的三級林用消防泵在不同工況流量下的揚程與通過試驗計算出的揚程變化趨勢基本一致，說明前文所述的模擬方法和過程是可行的，這為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計三級林用消防泵提供了新的方法。

表1 不同工況下消防泵揚程的試驗和模擬結(jié)果比較Table 1 Comparison of the tested fire pump lifts with the simulation results under different conditions

研究結(jié)果顯示，隨著流量的增加，揚程呈現(xiàn)下降的趨勢，當(dāng)流量為62 L/min時，可達(dá)到最大揚程175.84 m，考慮發(fā)動機的實際工況條件，選擇Q=175 L/min工況時，117.68 m的射程、175 L/min的流量滿足了林用消防泵大流量、高射程的需求，能夠達(dá)到遠(yuǎn)距離滅火的目的。此外，從泵內(nèi)部流場模擬分析結(jié)果可知，在Q=175 L/min工況下工作，可以更好地發(fā)揮泵的性能，提高泵的使用壽命。

3 結(jié) 論

1)基于標(biāo)準(zhǔn)的Realizablek-ε湍流模型，通過用FLUENT軟件對三級林用消防泵的整機流場進(jìn)行數(shù)值模擬計算，其內(nèi)部流場模擬計算出來的速度壓力分布狀況整機的工作特性是一致的，符合其規(guī)律。

2)通過對5種不同流量工況下三級森林消防泵的整機流場模擬比較可知，隨著流體流量的增加，三級林用消防泵的整機流場壓力與出口速度都在不同程度上有所下降；相比之下，處于流量Q=175 L/min工況時的整機流場壓力分布比較合理，葉輪流域、葉輪蝸殼耦合區(qū)域以及蝸殼流體區(qū)域的作用效果都比較好，流體流動比較穩(wěn)定。

3)搭建了水泵性能測試系統(tǒng)，并開展了不同流量工況條件下的水泵性能試驗，將測試結(jié)果與模擬預(yù)測值進(jìn)行對比分析，模擬預(yù)測的揚程與試驗揚程基本吻合，說明基于FLUENT軟件對三級森林消防泵的工作性能模擬預(yù)測具有一定的可靠性和參照性。同時，額定工況條件作業(yè)時，117.68 m的射程、175 L/min的流量能夠達(dá)到便攜式林用消防泵遠(yuǎn)距離滅火的目的。

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Flow field simulation and working condition analysisof triple-stage forest fire pump

ZHENG Nan1, RU Yu1*, WANG Dong2, CONG Jinghua2

(1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;2. Nanjing Forest Police College, Nanjing 210023, China)

Forest fire pump is a kind of firefighting equipment with high efficiency and wide application. The physical parameters of the turbulent flow in the pump, such as velocity, pressure and temperature, change randomly over time and space, and the movement is considered a non-linear stochastic process. The purpose of this study was to design a portable forest fire pump characterized by large flow, high lift, light weight and quick firefighting under complex conditions. The flow field in the pump was simulated based on the structural design and the principle of triple-stage pressure increasing of forest fire pump was analyzed by using flow field simulation method. The flow field of the triple-stage forest fire pump was simulated by using the FLUENT software, and the flow field models were established under five flow rate conditions, i.e., 62, 105, 175, 262 and 340 L/min. The lift of the pump was predicted according to the simulation results. When the flow rate was 175 L/min, the flow field pressure distribution was reasonable, the performance of the impeller basin, impeller volute coupling region and volute fluid region were good, and the fluid flow was relatively stable. The pump performance test system was built and tested under these five flow conditions. By comparing the test results with the simulation values, the results showed the simulated pump lift was similar to the test results. It indicates that it is feasible to use FLUENT software in working performance simulation and prediction of the triple-stage forest fire pump. Meanwhile, the flow rate of 175 L/min and lift of 117.68 m can meet the design requirements of the portable forest fire pump and can achieve the purpose of remote fire extinguishment.

CFD; forest fire pump; flow field simulation; operation condition analysis

2016-03-31

2017-03-10

林業(yè)科技成果國家級推廣項目([2017]30號)；江蘇省“333工程”科研項目資助計劃(BRA2016429)；江蘇省“青藍(lán)工程”項目；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(PAPD)。

鄭楠，男，研究方向為森林防火技術(shù)與裝備。通信作者：茹煜，女，教授。E-mail:superchry@163.com

S23；S77

A

2096-1359(2017)03-0124-07