何穎

摘 要：為研究離心泵內部伴有鹽析的復雜液固兩相流動問題 ，首先需要了解在清水狀態(tài)下 ，其內部真實流動現(xiàn)象的物理本質. 為此 ，基于 N - S方程和標準的 k - ε湍流模型 ，利用 FLUENT 6. 1 對清水狀態(tài)下離心泵葉輪內部的三維湍流場進行了數(shù)值模擬 ，并運用先進的測量儀器 P IV 對改進設計后的化工離心泵葉輪內部流場進行了測量 ，給出了其相對速度分布圖. 同時 ，結合數(shù)值計算與試驗研究 ，對離心泵葉輪內部流場進行了初步分析. 試驗結果表明 ，計算所采用的模型的修正方法基本符合離心泵內部流動的實際情況。

關鍵詞：離心泵葉輪；湍流流動；內部流動；分析

引言：葉輪機械內部伴有鹽析的液固兩相流動這一基 子圖像速度場儀 P IV 直接應用于泵內部流場的研基礎科學問題一直是學術界和工程界的難題.在國際國內已經得到了普遍的認可，實際應用 漿造紙、石油化工等行業(yè)中 ，離心泵內部結鹽現(xiàn)象相 的例子越來越多。由于粘性的影響及伴有鹽析的液固兩為揭示鹵水在葉輪內部流動的真實情況相流動 ，使離心泵葉輪內部流動非常復雜。首先著眼于在清水狀態(tài)下 ，離心泵葉輪內部流動情離心泵內部流場的研究 ，多年來一直受到了許情況的研究. 擬采用數(shù)值計算的方法求出離心泵葉輪，很多學者的高度重視 ，以往普遍采用的探針只能對流內部的速度場和壓力場的分布 ，并利用 P IV 對葉輪場進行單點測量 ，由于激光測量技術的發(fā)展 ， 將粒內部流動情況進行試驗驗證。

一、離心泵內部流場的數(shù)值模擬

1.基本參數(shù)

數(shù)值模擬的離心泵的基本參數(shù) ： 流量 Q =25 m3 / h， 揚程 H= 20 m， 轉速 n = 2 890 r/m in. 數(shù)值模擬的基本假定是：工作介質為牛頓流體且局部各向同性. 再把葉輪三維模型導入到 GAMB IT中進行網格劃分. 作者采用非結構化網格對計算區(qū)域進行離散， 為提高網格質量及加快求解速度運用了局部加密技術.

2.控制方程

基于 N - S方程和湍流模型， 模擬離心泵葉輪內 部的三維湍流， 其連續(xù)性方程和動量方程可以描述為

Ex + F y + Gz = S。

3.湍流模型

為了封閉方程 （ 1） ， 還需給出湍流模型， 采用標準 k - ε湍流模型， 該模型的控制方程組如下：ρui k -μekx= Gk - ρε，x， y， z方向； Gk 為湍動能產生項，Gk =μt [ （ uy + vx ） 2+ （ vz + wy ） 2 + （wx + uz ） 2 + 2 （ u2x + v2y + w2z ） ]； 各常數(shù)分別定義為 Cμ = 0. 09，σk = 1. 0， σε = 1. 3， C1 =1. 44，C2 = 1. 92。

4.邊界條件

根據(jù)離心泵葉輪進口的特點， 由質量守恒定律和進口無旋的假設確定軸向速度， 并假設切向速度和徑向速度為零. 湍動能的進口值取進口平均動能的 0. 5 % ； 進口處湍動能耗散率按湍動能和進口特征長度計算， 即ε =Cμ3/ 4 k3in/ 2 Kyin ，式中， kin 為進口處的湍動能； yin 為近壁計算點到壁面的距離； k為卡門常數(shù)， 取 K = 0. 假定出口邊界處流動已充分發(fā)展， 出口區(qū)域離開回流區(qū)較遠， 出口處的速度由上游一層網格點的速度值推延而得. 固壁上滿足無滑移條件， 即相對速度 w = 0； 壓力應滿足 N eum a， 即第二類邊界條件5p / 5n = 0； 湍流壁面條件采用壁面函數(shù)邊界條件。

5.計算結果

二、葉輪內部流場的 P IV 測量

1.測試系統(tǒng)

采用的測試儀器是美國 TSI公司生產的 P IV 系統(tǒng) ，其中激光工作頻率為 15Hz，發(fā)出波長為 532 nm ， 單個脈沖能量為 120 mJ； CCD 相機分辨率為 1 248 ×1 024 像素 ，最大圖像采集率可達到 7. 5幀 /秒；同步器用來協(xié)調激光和相機的工作時序. P IV 系統(tǒng)的控制和圖像采集分析由 Insight 5. 0軟件實現(xiàn) ，工作平臺是 W indow s 2000. 該軟件系統(tǒng)組成示意圖。

2.測量結果

測試所得到的速度為葉輪內部液體的絕對速 采用直徑為8μm 的三氧化二鋁作為示蹤粒子，按照速度三角形分解為相對速度 ，這里僅給出各驗工況以及所測的葉輪均與數(shù)值計算的相同.

3.內部流場的分析

通過內部流場的計算，可以獲得流場內部任意點、面和體的速度及壓力分布情況，這是實驗測試難以比擬的。以下對比不同湍流模型在設計工況（Q=Qd=3.06L/S）和不同流量下進行流場計算得到的，沿流道進口到出口，靜壓分布逐漸增大，且分布比較均勻，各個模型在靠近進口和壓力面都存在低壓區(qū)，而進口處出現(xiàn)負壓，所以易發(fā)生空化現(xiàn)象?，F(xiàn)大的流動分離。在葉片壓力面附近有低速區(qū)的出現(xiàn)總體趨勢一致。這驗證了上面的分析。RNGk-ε 模型、RSM 模型和Realizablek-ε 模型在靠葉片進口出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，它改變流動方向，發(fā)生流動分離，發(fā)展成一小渦流，但標準K-ε模型沒有發(fā)現(xiàn)分離和小渦流。

三、計算結果與試驗結果分析

力面相對速度相差較大 ，因此葉片負荷較大. 隨著半徑增大 ，吸力面流速逐漸變小 ，壓力面相對速度逐漸大在設計流量下 ，在半徑較小靠增大 ，吸力面與壓力面的相對流速差逐漸減小.近葉輪進口處 ，葉片吸力面附近相對速度比壓力面比較小，相對速度高 ，相對速度最高位于吸力面進口處壓力面相對速度下降 ，這與勢流理論預測的量下 ，從葉片進口到葉片出口的相對流速變化較平順 ，分布較合理；小流量工況下 ，在葉片壓力面附近有較大的低速區(qū) ，但相對速度變化緩慢 ；大流量工況下 ，在葉片壓力面附近的低速區(qū)變小。

結語：數(shù)值計算的結果 ，符合葉輪機械內特性的一般規(guī)律 ，而且與 P IV 的測量結果總體趨勢基本吻合 ，這表明了利用 FLUENT進行數(shù)值模擬的正確性； 數(shù)值計算結果與實測結果在數(shù)值上有一定差別 ，原因有三方面 ，數(shù)值模擬是基于 k - ε模型的修正 ，不完全符合離心泵內部流動的實際情況 ；在試驗方面 ，由于過分考慮了方便 P IV 測量 ，而采用了較大的泵腔 ，影響測量的結果；在試驗過程中 ，泵后蓋處產生的大量的空氣泡也會影響試驗結果的準確性。

參考文獻：

[1]楊敏官 離心泵葉輪內部三維湍流流動的分析 [ J ]. 江蘇大學自然科學版 ，2015（ 01）

[2]林敏 離心泵葉輪內部湍流流場的數(shù)值模擬[ J ]. 福建大學學報2013（08），