朱大順， 紀國法， 程衛(wèi)琴

(1. 長江大學 油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室， 湖北 武漢 430100；2. 中航工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團有限責任公司， 江西 南昌 330000)

多級離心泵級間導葉影響的CFD模擬*

朱大順1， 紀國法1， 程衛(wèi)琴2

(1. 長江大學 油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室， 湖北 武漢 430100；2. 中航工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團有限責任公司， 江西 南昌 330000)

為了研究多級離心泵內部各級間的相互作用與影響， 采用RNGk-ε紊流模型， 基于CFD方法借助CFX軟件求解雷諾時均N-S方程， 對多級離心泵內部流動進行三維流動數(shù)值模擬， 獲得了多級離心泵內部流場， 分析了多級離心泵流道內的瞬時流動特性. 模擬結果表明： 流型的均勻性對離心泵各級效率有明顯的影響； 首級葉輪室進口斷面的流速分布對整體多級泵葉輪徑向力的不平衡分布影響甚大， 在設計工況下， 隨著離心泵葉輪級數(shù)的增加， 葉輪室進口斷面旋度增大， 多級泵的效率也隨之降低， 葉片徑向力逐漸增大； 多級離心泵內各級葉輪進口旋度隨流量增大而增大， 而葉輪徑向不平衡力隨流量減小而增大. 通過對多級離心泵內部流動特性進行三維數(shù)值模擬， 掌握多級離心泵內部流動規(guī)律， 可以為離心泵的水力優(yōu)化設計等提供理論指導.

多級離心泵； 級數(shù)； 數(shù)值模擬； 流場

多級離心泵擁有工作效率較高、 揚程大的特點， 已經廣泛應用于石油輸送、 水利、 農業(yè)灌溉、 礦用排水、 森林消防等各個行業(yè)[1-2]. 通過增加葉輪串聯(lián)數(shù)可以滿足更高揚程的需求， 同時提升了多級離心泵的工作性能. 當葉輪數(shù)增加到一定程度時， 多級泵內部葉輪與導葉之間存在動靜干涉， 且該干涉作用可能由于共振而增強[3-4]， 嚴重制約了多級離心泵的性能.

康燦[5]等對多級離心泵內部級間影響及壓力脈動特征進行了計算分析. 郭鵬程等[6]進行了離心泵內葉輪與蝸殼間耦合流動的三維紊流數(shù)值模擬， 證實了蝸殼與葉輪間相互作用引起的整機流場的不對稱性， 揭示了離心泵內部的重要流動特征. 程云章等[7]研究了葉片結構對離心泵性能的影響， 得出提高葉片扭曲度能提高離心泵效率的結論. 曹衛(wèi)東等[8]分析了兩級離心泵的內部非定常壓力分布特性， 結果表明， 作用在葉輪上的徑向力呈現(xiàn)脈動狀態(tài)， 其矢量分布圖基本呈圓形分布， 作用在葉輪上的扭矩呈現(xiàn)出以葉片通過正導葉頻率為主頻的周期性波動； 葉片和導葉間動靜干涉是影響壓力和扭矩波動的主要因素. Q H Zhang等[9]改進了多級離心泵的導葉設計. 蔣鴻等[10]對多級離心泵進行了模擬與計算， 并對誤差進行了分析. 邵春雷等[11]進行了離心泵在設計工況下的內流場的數(shù)值模擬， 并進行了非定常的分析， 發(fā)現(xiàn)離心泵的水力性能受進出口壓力的影響而呈現(xiàn)出非定常和非對稱性. 吳大轉等[12]對多級離心泵半開式葉輪進行了參數(shù)優(yōu)化研究， 得出超低比轉速多級離心泵的改進優(yōu)化規(guī)律.

目前學者對于多級離心泵整機的全面性能預測不多， 特別是定量分析各個過流部件對多級離心泵性能的影響方面， 有針對性地進行優(yōu)化改型仍存在很大的空白， 極大地限制了多級泵的發(fā)展和應用. 本文通過CFX軟件對多級離心泵進行模擬， 分析了各級葉輪的速度場， 以及在不同質量流量工況下各級葉輪的速度、 徑向力的影響. 針對流型的變化對葉輪的工作效率的影響進行模擬， 得知入口的流體均勻性對離心泵的工作性能有關鍵性的作用. 對多級離心泵的全面研究， 以及提高對多級離心泵的認識和對其規(guī)律的掌握是亟待開展的工作.

1 多級離心泵計算模型

1.1 模型結構設計

多級離心泵一般采用徑向導葉[13-14]， 其流道是由正導葉、 環(huán)形空間和反導葉三部分組成. 正導葉起著壓水室作用， 反導葉除了起降低速度、 消除液體旋轉作用外， 還將液體引入下一級葉輪， 三者環(huán)環(huán)相扣. 結構如圖 1 所示.

圖 1 多級離心泵導葉示意圖Fig.1 Multistage centrifugal pump vanes schematic

參照泵設計手冊， 設計了2號葉輪和2級徑向導葉， 葉輪與導葉兩兩交叉組合， 對該組合進行模擬計算. 葉輪如圖 2 所示.

圖 2 多級離心泵葉輪示意圖Fig.2 Multistage centrifugal pump impeller schematic

2個葉輪和2個導葉組合， 在CFX前處理器中組合各部件， 如圖 3 所示.

圖 3 多級離心泵流體域裝配圖Fig.3 Multistage centrifugal pump assembly drawing fluid domain

1.2 模型網格

葉輪網格在Turbgrid中生成， 剩余部分網格在ICEM中完成， 末級導葉及吐出段采用非結構的四面體網格生成， 其余均為結構化的六面體網格. 各部分網格節(jié)點及網格數(shù)如表 1 所示， 網格質量滿足計算要求.

表 1 各部件節(jié)點數(shù)和網格數(shù)

1.3 控制方程和邊界條件

數(shù)值模擬的控制方程[15]為雷諾平均N-S方程：

1) 連續(xù)性方程

式中：ρ為流體密度；ui為速度分量.

2) 動量守恒方程

式中：p為平均靜壓強；μ為動力粘度系數(shù)；Si為動量守恒方程的廣義源項.

3) 能量守恒方程

式中：T為流體溫度；κ為流體傳熱系數(shù)；cp為比定壓熱容；ST為黏性耗散項.

采用RNGk-ε紊流模型求解湍動能和湍動能耗散率， 并構建它們與湍流黏性系數(shù)的關系. 其中湍動能方程為：

湍動能耗散率方程

對于邊界條件， 采用質量流進口和壓力出口. 邊壁采用無滑移壁面， 近壁區(qū)速度分布采用標準壁面函數(shù)處理； 葉輪旋轉域與進出口及導葉固定域交界面采用Frozen Rotor處理. 葉輪轉速為1 480 r/min， 收斂殘差設為10-4.

2 均勻入流計算結果與分析

對于多級離心泵， 各級流型的不均勻性對葉輪的徑向力和效率有較大的影響， 本節(jié)將對比首級、 次級在均勻流和非均勻流狀態(tài)下葉輪效率隨流量的關系. 為此將葉輪室與導葉體獨立取出， 單獨計算均勻入流條件下泵的性能. 因首級葉輪與其他不一致， 單獨進行計算. 進口設置為質量流入口， 出口設置為開敞式出口.

圖 4 均勻入流計算模型圖Fig.4 Uniform inflow model diagram

根據(jù)計算結果分別得到首級葉輪和次級葉輪的效率曲線， 如圖 5 所示.

對比結果顯示， 均勻入流與非均勻入流條件下葉輪的流量效率曲線均保持相似， 但是非均勻流的效率均比均勻流要低. 在同流型的情況下， 對比首級葉輪與次級葉輪， 可以看出次級葉輪的效率比首級要高.

均勻入流條件下首級葉輪的性能提升的比較少， 設計流量點提高葉輪效率為2.2%. 而第二級葉輪設計流量工況可提高8.3%， 并且在小流量工況提升得更為明顯. 首級葉輪進口的斷面均勻度與速度加權平均角明顯高于其余葉輪， 所以在改為均勻入流條件下， 效率上升空間有限. 而后面葉輪的進口條件較差， 改善進口對性能的影響較大.

圖 5 葉輪均勻入流與非均勻入流效率對比Fig.5 Comparison of impeller uniform inflow and nonuniform inflow efficiency

3 計算結果與分析

3.1 速度場分析

取設計工況下的各級葉輪進口斷面， 進行斷面速度和旋度的模值， 不同工況下首級和次級葉輪進口斷面的平均速度和旋度如圖 6 所示.

圖 6 速度、 旋度云圖Fig.6 Speed and curl cloud chart

由圖 6 可以看出， 首級葉輪基本上為無旋流動， 但是次級葉輪在葉輪進口處有明顯的有旋流動. 首級和次級平均速度絕對值相差不大， 且速度流動方向大致相同.

如圖 7 結果顯示， 總體上各級葉輪進口的旋度分布隨著流量的增加而增加. 首級葉輪進口的旋度相對較小， 且隨流量的變化增加不大. 流量增加時， 流速增加， 水流的脫流角度減小， 進而引起旋度的增加.

3.2 葉輪徑向力分布

由于多級離心泵的各級進口斷面速度分布不均， 因此各通道內的流態(tài)勢必會不一致， 從而導致各級葉片的運行工況不盡相同， 葉片的壓力分布， 葉輪的徑向力分布也因此不一致.

各級葉輪的徑向力隨質量流量變化曲線， 如圖 8 所示， 可以看出各級葉輪的徑向力分布均隨著流量的增加而減少. 在同流量工況下， 隨著葉輪級數(shù)增加， 葉輪的徑向力逐漸增大并趨于穩(wěn)定. 但圖中首級與次級葉輪也隨葉輪的徑向力呈現(xiàn)相反的情況. 因入流速度明顯集中偏向一側， 首級葉輪的徑向力大于第二級葉輪， 但是小于第三級葉輪， 首級葉輪的徑向力不受其他葉輪的影響， 變化趨勢較其余的葉片平緩. 由于各級葉輪進口流態(tài)的不均， 各個葉片吸力面與壓力面的壓差值不同， 做功不一致， 導致葉輪徑向力分布不均.

3.3 葉輪效率對比

分別取出計算工況的多級離心泵葉輪的效率值整理成圖 9. 從圖 9 中可以看出第二、 三、 四、 五級葉輪的效率曲線的整體趨勢基本一樣， 但是隨著級數(shù)的增加效率逐漸較小. 從前面的分析可知， 葉輪進口的旋度隨著葉輪級數(shù)的增加而增加， 葉輪的內部流動也越來越差， 每一級葉輪的出流情況不同造成了導葉能量的回收和整流效果變差， 這也是造成葉輪效率不同的原因.

圖 9 葉輪干涉影響的效率對比圖Fig.9 Interference effect of the impeller efficiency comparison chart

4 結 論

1) 多級離心泵入流條件的好壞對離心泵的工作效率有極大的影響. 通過模擬均勻入流和非均勻入流條件下首級與次級葉輪的內流場可知， 設計工況下首級葉輪理論上可提高2.2%， 次級可提高8.3%.

2) 隨著多級離心泵的葉輪級數(shù)的增加， 首級進入次級會發(fā)生明顯的旋流， 隨后的各葉輪室進口斷面的旋度變化不大， 葉輪的徑向力逐漸增加.

3) 多級離心泵首級葉輪對次級葉輪有較強的影響， 首級的設計直接影響到整個離心泵的工作性能和工作效率.

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EffectofMultiStageCentrifugalPumpontheGuideVaneBasedonCFDSimulation

ZHU Da-shun1, JI Guo-fa1, CHENG Wei-qin2

(1. Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources Ministry of Education,Yangtze University, Wuhan 430100, China；2. AVIC Jiangxi Hongdu Aviation Industry Group Company Ltd., Nanchang 330000, China)

In order to study the interaction and impact of multi-stage centrifugal pump between the various levels，using RNGk-εturbulence model and CFX software to calculate Reynolds time-averaged Navier-Stokes equations based on CFD method, carry out the numerical simulation of three-dimensional flow in multistage centrifugal pump, has obtained the flow field inside the multistage centrifugal pump and analyzed the transient flow characteristics of the multistage centrifugal pump.The simulation results show that: the uniformity of the flow pattern has obvious effect on the efficiency of centrifugal pump; the flow velocity distribution of the inlet section of the first impeller chamber has a great influence on the unbalanced distribution of the radial force of the impeller of the whole multistage pump. Under the design condition, the inlet section of the impeller chamber increases with the increase of the centrifugal pump impeller stage, the efficiency of the multistage pump also decreases, and the radial force of the blade increases gradually; multi-stage centrifugal pump impeller at all levels of imports with the increase in flow rate increases, the impeller radial imbalance force increases with the flow decreases. Through the three-dimensional numerical simulation of the internal flow characteristics of multi-stage centrifugal pump, master the internal flow law of multi-stage centrifugal pump, and provide theoretical guidance for hydraulic optimization design of centrifugal pump.

multistage centrifugal pump; series; numerical simulation; flow field

1673-3193(2017)03-0322-05

2016-08-21

國家自然科學基金資助項目(51378077)； 湖北省教育廳科技計劃重點資助項目(20131205)

朱大順(1991-)， 男， 碩士生， 主要從事油氣儲運方面的研究.

紀國法(1985-)， 男， 講師， 主要從事油氣田開發(fā)的研究.

TH311

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.03.013