葛秦龍

(山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006)

引言

螺旋軸流式油氣混輸泵，由于結(jié)構(gòu)較簡單、輸送流量大，可以同時輸送含有氣相和液相的兩相介質(zhì)，且介質(zhì)中可以混有一定比例的固體顆粒，因此在各種復(fù)雜環(huán)境排水系統(tǒng)中廣受歡迎[1]。但是葉片式混輸泵在運(yùn)行過程中會伴有氣泡的聚合、分裂以及兩相分離現(xiàn)象[2]， 因此通過對混輸泵內(nèi)流場的研究， 為改善兩相的分離程度提供依據(jù)是混輸泵的研究任務(wù)之一。馬希金等[3]通過對混輸泵的葉輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大翼型的前緣半徑可以改善靠近輪轂側(cè)的氣體聚集現(xiàn)象。張金亞等[4]對不同入口含氣率工況的混輸泵進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)葉輪內(nèi)的靜壓值隨著流動方向逐漸增大，并且葉輪葉片數(shù)對混輸泵的總壓值影響較大。史廣泰等[5]研究了氣液兩相條件下螺旋軸流式油氣混輸泵壓縮級內(nèi)湍流強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)級間的動靜干涉作用、流動的不均勻性是導(dǎo)致湍流強(qiáng)度增加的因素；葉片厚度是葉輪較重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，葉片的加厚方式不同，厚度則不同，其性能也不同。葛書亭等[6]通過對具有不同葉片厚度的離心泵進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)葉片加厚可以一定程度上提高泵的揚(yáng)程和效率。

在針對排水系統(tǒng)的混輸泵相關(guān)研究中，以葉片的厚度對混輸泵性能影響為研究點(diǎn)的研究較少。本研究采取不同的加厚方式對葉輪葉片進(jìn)行了加厚，對具有不同加厚方式葉輪的混輸泵進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究葉片加厚方式對混輸泵性能的影響，為葉片加厚方式的選取提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

1 模型建立及數(shù)值模擬

螺旋軸流式油氣混輸泵的基本設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)流量q=100 m3/h，揚(yáng)程H=30 m,轉(zhuǎn)速n=4500 r/min，入口含氣率IGVF=30%,葉輪直徑D=150 mm，葉輪葉片數(shù)z=4，葉片進(jìn)口角β1= 10°,導(dǎo)葉直徑Dd=150 mm，導(dǎo)葉葉片數(shù)Z=17，導(dǎo)葉葉片進(jìn)口角βd1=38°。壓縮級的進(jìn)水段及出水段設(shè)計(jì)為直段，使流體充分發(fā)展，因此氣液兩相流可以有更好的入流及出流條件。根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓縮級各部件進(jìn)行建模并組裝，如圖1所示。

圖1 壓縮級模型

將壓縮級模型導(dǎo)入ANSYS軟件的網(wǎng)格生成器中進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分[7-8]，將劃分后的計(jì)算域網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent求解器中對混輸泵壓縮級進(jìn)行數(shù)值模擬。為了減小網(wǎng)格數(shù)量對計(jì)算結(jié)果的影響，選用5組網(wǎng)格方案對混輸泵進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，網(wǎng)格方案1～5分別對應(yīng)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)量444.3，565.5，754.1，912.2，11 00.2萬，如圖2所示。由圖2可看出，網(wǎng)格方案3，4，5的數(shù)值模擬揚(yáng)程和效率變化較小，為了節(jié)約計(jì)算資源，選取方案3的網(wǎng)格數(shù)量754.1萬對混輸泵進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)

Fluent軟件可以較好地對流體機(jī)械內(nèi)的兩相流動進(jìn)行數(shù)值模擬[9-10]。在數(shù)值計(jì)算中，氣液兩相分別設(shè)定為空氣和水，選擇Eulerian多相流模型和RNGk-ε湍流模型對混輸泵進(jìn)行數(shù)值模擬，采用Eulerian多相流模型可以得出流道內(nèi)氣相的分布情況，有助于對混輸泵的流場進(jìn)行分析[11]。計(jì)算域的進(jìn)口邊界條件設(shè)置為速度進(jìn)口，進(jìn)口壓力為1個大氣壓值；出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，出口壓力的參考值為1個大氣壓值。采用無滑移邊界條件及標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法對近壁面區(qū)域的流動進(jìn)行處理[12]。

2 不同加厚方式葉片

葉片為一系列不同圓周面上的翼型排列而成，不同圓周面上的翼型具有不同的厚度。方案1葉輪的葉片采取常規(guī)的加厚方式，即輪轂側(cè)翼型的厚度最大，以滿足旋轉(zhuǎn)時葉輪根部的強(qiáng)度，由輪轂側(cè)至輪緣側(cè)的翼型厚度逐漸減小。方案1葉片輪轂側(cè)翼型的最大厚度為9 mm,輪緣側(cè)翼型的最大厚度為5 mm。方案2葉輪的葉片則采取對輪緣側(cè)及輪轂側(cè)翼型進(jìn)行等厚加厚的方式，即輪轂側(cè)及輪緣側(cè)翼型的最大厚度均為9 mm。方案1及方案2不同圓周面的翼型均采用791翼型的加厚規(guī)律對其進(jìn)行加厚。方案1及方案2葉片的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 葉片結(jié)構(gòu)圖

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 不同方案外特性對比

混輸泵的外特性參數(shù)主要有2個：揚(yáng)程與效率。這2個參數(shù)高，則代表混輸泵的水力性能較好。采用上文所述的數(shù)值計(jì)算方法對具有不同葉輪方案的混輸泵進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬工況為：流量q0=100 m3/h，入口含氣率IGVF為30%，40%，50%，60%，70%，轉(zhuǎn)速n=4500 r/min。如圖4所示分別為2種葉輪方案混輸泵在不同入口含氣率工況下的外特性。

圖4 不同方案混輸泵外特性

由圖4可看出，混輸泵的揚(yáng)程和效率均隨著入口含氣率的增大而減小，且方案1混輸泵的揚(yáng)程和效率在不同入口含氣率工況時均低于方案2混輸泵，說明方案2混輸泵具有更好的水力性能，葉輪的增壓能力高于方案1葉輪，對氣液兩相介質(zhì)的輸運(yùn)能力也較強(qiáng)。從混輸泵的外特性數(shù)值模擬結(jié)果可看出，對葉片輪緣側(cè)及輪轂側(cè)的翼型采用等厚加厚的方式有利于提升混輸泵的水力性能，提高葉輪的做功能力及混輸泵的效率。

3.2 不同方案兩相分布對比

利用后處理軟件對混輸泵葉輪流道內(nèi)的氣相分布數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出，如圖5所示。圖中GVF表示流道中氣相的含量，GVF值越大，說明該位置處氣相含量較高，相反則氣相含量較低。由圖5可看出，沿著葉片的進(jìn)口至出口，氣相含量越來越高，尤其是在靠近輪轂側(cè)的區(qū)域含量最大，且該位置處液相的含量接近于0。說明在該位置處氣相形成了滯留，該現(xiàn)象有可能會導(dǎo)致流道內(nèi)氣相兩相流動的不規(guī)律。葉輪流道內(nèi)氣相聚集現(xiàn)象最嚴(yán)重的區(qū)域在靠近輪轂側(cè)位置，氣相的聚集程度由輪轂側(cè)至輪緣側(cè)逐漸下降。因此將不同葉輪方案在不同入口含氣率工況時的0.1倍葉高處氣相分布數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并進(jìn)行對比分析，如圖6所示。

圖5 葉輪流道氣相分布

由圖6可看出，隨著入口含氣率的增大，流道內(nèi)氣相聚集現(xiàn)象越來越明顯。不同葉輪方案內(nèi)氣相的分布狀況不同，但其有共同的規(guī)律，即氣相含量均在流道出口的葉片背面區(qū)域接近于1，該位置處發(fā)生了氣相的聚集現(xiàn)象。不同入口含氣率工況下，方案2流道內(nèi)氣相含量接近于1的區(qū)域均大于方案1，說明方案2葉輪對于氣液兩相的混合輸運(yùn)性能優(yōu)于方案1，氣液兩相可以更好地從葉輪流出。流道內(nèi)氣相的聚集現(xiàn)象減弱，則對流動的影響較小，否則流動會在此處形成漩渦，進(jìn)而有可能造成能量損失。

圖6 0.1倍葉高處氣相分布

方案2采取了對葉片輪緣側(cè)及輪轂側(cè)的翼型等厚加厚的方式，其葉片相對于方案1具有較厚的厚度。方案2葉輪的輪轂側(cè)及輪緣側(cè)翼型具有相等的厚度，不同的厚度對應(yīng)不同的葉片傾斜度。方案2葉輪的葉片具有較小的傾斜度，該結(jié)構(gòu)導(dǎo)致方案2葉輪對氣液兩相介質(zhì)具有較好的輸運(yùn)能力，并且可以在一定程度上減小氣相在葉輪流道內(nèi)的滯留現(xiàn)象，進(jìn)一步可以穩(wěn)定流道內(nèi)的兩相流動，減小流動損失，提升混輸泵的性能。

4 結(jié)論

本研究基于Fluent軟件對具有兩種加厚方式葉輪的螺旋軸流式油氣混輸泵進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：方案2葉輪，即對葉片的輪緣側(cè)及輪轂側(cè)翼型采用等厚加厚的葉輪，具有更好的水力性能，其揚(yáng)程和效率都比方案1混輸泵高；通過對方案1及方案2流道內(nèi)氣相分布分析可知，2種方案葉輪流道內(nèi)氣相聚集的主要位置相似，均為流道出口的葉片背面區(qū)域；但是方案2葉輪流道內(nèi)氣相含量接近于1的區(qū)域比方案1的小，說明方案2葉輪具有更好地對氣液兩相流動輸運(yùn)的能力，流道內(nèi)氣液兩相的流動較方案1穩(wěn)定，葉輪流道內(nèi)流動較穩(wěn)定，則對流動造成的影響及損失較小，混輸泵的性能則更好，因此對混輸泵采用方案2的加厚方式可以提高其水力性能及對兩相的混合輸運(yùn)能力。