袁漢欽，高攀龍，張塬東

（1.海裝上海局駐合肥地區(qū)軍事代表室，合肥 230088；2.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031；3.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，杭州 310027）

0 引言

立式自吸泵具有運(yùn)行穩(wěn)定、安全性能好等特點(diǎn)，同時(shí)，其振動(dòng)噪聲低，易于維護(hù)、使用壽命長(zhǎng)。特別是可用于含雜質(zhì)液體可靠輸送的立式無密封自吸泵，在冶金、電力和污水處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1-3］。自吸泵的工作過程可分為2個(gè)階段：氣液兩相流動(dòng)和普通離心泵工作階段。啟動(dòng)后葉輪旋轉(zhuǎn)在葉輪進(jìn)口，并在葉輪進(jìn)口產(chǎn)生負(fù)壓，將吸入管內(nèi)的空氣吸入泵體并排出。當(dāng)吸入管中的氣體被全部排出泵外后，自吸泵轉(zhuǎn)化為普通離心泵工作階段。對(duì)于立式自吸泵而言，除了效率和抗污能力外，最大自吸高度和自吸時(shí)間等自吸性能指標(biāo)也被著重關(guān)注。自吸過程中抽上液體時(shí)的相對(duì)于液面所能達(dá)到的最大幾何高度即為泵的最大自吸高度，泵啟動(dòng)至泵出口充滿液體所需的時(shí)間即為泵的自吸時(shí)間。

已有學(xué)者圍繞提高立式自吸泵性能開展數(shù)值模擬和改進(jìn)設(shè)計(jì)研究，孫幼波［4］、張塬東［5］等先后對(duì)單級(jí)和雙級(jí)立式自吸泵的性能進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，并基于數(shù)值模擬對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。夏麗等［6］則研究立式自吸泵蝸殼回流孔位置對(duì)提升自吸性能和水力性能的影響。王春林等［7］采用FLUENT軟件對(duì)自吸式旋流自吸泵內(nèi)氣液兩相流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)自吸時(shí)單液狀態(tài)下靜壓稍微大于氣液兩相狀態(tài)下的靜壓，液相通過相間作用夾帶氣相流動(dòng)是泵內(nèi)的主要流動(dòng)。劉建瑞等［8］針對(duì)內(nèi)混式自吸泵，通過采用FLUENT軟件對(duì)泵自吸過程的氣液兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對(duì)結(jié)果分析，給出了進(jìn)口不同含氣率條件下流場(chǎng)的氣相分布、速度分布和壓力分布。李紅等［9-10］采用VOF多相流模型結(jié)合滑移網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)泵啟動(dòng)過程中氣液分離現(xiàn)象和混合現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得葉輪內(nèi)回流孔、監(jiān)測(cè)點(diǎn)及蝸殼各斷面的含氣率變化曲線。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在自吸前期和末期，泵內(nèi)多數(shù)區(qū)域體積和含氣率存在一個(gè)迅速變化過程，蝸殼各斷面、葉輪進(jìn)出口、回流孔處速度在自吸前期存有振蕩，表現(xiàn)出明顯瞬態(tài)效應(yīng)。Huang等［11-12］以泵出口處和葉輪入口氣液相流量隨時(shí)間的變化規(guī)律估算自吸時(shí)間，對(duì)自吸泵啟動(dòng)過程中氣液兩相流的瞬態(tài)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。上述研究中，針對(duì)自吸過程的模擬均基于自吸泵入口的含氣率為某一固定值的假設(shè)。然而，自吸過程的入口含氣率為一個(gè)變化值，現(xiàn)有計(jì)算結(jié)果均未給出完整自吸過程流場(chǎng)和性能變化。

本文以一臺(tái)立式雙級(jí)自吸泵為對(duì)象，相對(duì)真實(shí)地模擬自吸過程的系統(tǒng)條件，基于FLUENT軟件模擬自吸泵內(nèi)非定常氣液兩相流動(dòng)，分析自吸過程中泵內(nèi)部的含氣率及壓力的演化規(guī)律，為改進(jìn)立式自吸泵的自吸性能提供參考。

1 雙級(jí)立式自吸泵結(jié)構(gòu)與建模

1.1 自吸泵性能參數(shù)與模型

本文研究的雙級(jí)自吸泵結(jié)構(gòu)如圖1所示，該泵額定流量為370 m3/h，額定揚(yáng)程為47 m，額定轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，自吸高度為2.5 m，要求自吸時(shí)間不大于180 s。在建模過程中，為了節(jié)省計(jì)算資源，同時(shí)考慮到氣液分離室內(nèi)蝸殼支架等結(jié)構(gòu)對(duì)泵水力性能的影響不大，在構(gòu)建模型的過程中可忽略氣液分離室內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本文最終所建模型由出口管、副葉輪、次級(jí)后密封環(huán)間隙、次級(jí)前密封環(huán)間隙、次級(jí)蝸殼、次級(jí)葉輪、氣液分離室、首級(jí)后密封環(huán)間隙、首級(jí)前密封環(huán)間隙、首級(jí)蝸殼、首級(jí)葉輪、吸入管等部分組成?？紤]到自吸過程的數(shù)值計(jì)算，建模過程中還在立式自吸泵出口位置增加節(jié)流裝置，如圖2所示。泵吸入管水平延伸1.12 m，向下延伸3 m（空氣段），該模型的自吸高度為2.5 m，與試驗(yàn)過程保持一致。

圖1 雙級(jí)立式自吸泵結(jié)構(gòu)示意

圖2 立式自吸泵自吸過程計(jì)算模型

1.2 網(wǎng)格劃分與計(jì)算方法

本文采用ICEM軟件對(duì)模型進(jìn)行混合網(wǎng)格劃分。采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格的有氣液分離室、副葉輪流道、蝸殼流道和葉輪流道等，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的有次級(jí)前后密封間隙、首級(jí)前后密封間隙、出口管和吸入管。圖3示出整體流道網(wǎng)格劃分結(jié)果，整個(gè)模型共計(jì)3 860 518個(gè)網(wǎng)格單元。為分析網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)3種網(wǎng)格數(shù)量分別為4 663 289，3 860 518，3 128 649的情況進(jìn)行了流場(chǎng)模擬，進(jìn)而分析計(jì)算結(jié)果和網(wǎng)格數(shù)量之間的關(guān)系。結(jié)果顯示其可以滿足數(shù)值模擬精度要求，3種情況下?lián)P程變化均小于1.5%，得到的揚(yáng)程分別為49.37，49.13，48.68 m，本文最終采用網(wǎng)格數(shù)量為3 860 518的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

圖3 立式自吸泵計(jì)算網(wǎng)格

采用FLUENT軟件對(duì)該立式自吸泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行定常數(shù)值模擬。采用Realizablek-ε模型作為本文的湍流模型，求解離散方程采用壓力耦合方程組SIMPLEC算法。對(duì)于邊界條件的設(shè)置，具體如下：出口和入口分別設(shè)置為壓力出口和速度入口，通過interface連接氣液分離室、蝸殼以及葉輪等主流道與密封間隙流道。在具體對(duì)于計(jì)算區(qū)域的相關(guān)設(shè)置中，存在旋轉(zhuǎn)和靜止計(jì)算域，其中旋轉(zhuǎn)計(jì)算域主要包含密封間隙的葉輪前、后蓋板壁面、葉輪和副葉輪流域，對(duì)應(yīng)分別采用旋轉(zhuǎn)壁面條件和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系；靜止計(jì)算域主要包含密封間隙、出口管、吸入管、蝸殼和氣液分離室，采用靜止坐標(biāo)系。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 氣液兩相分布

雙級(jí)自吸泵自吸過程中截面的氣液兩相分布云圖如圖4所示，圖4（a）表示的是自吸泵的初始狀態(tài)，此時(shí)，自吸泵管路充滿水，僅在吸入管充滿3 m高度的空氣。隨著泵的運(yùn)行，首級(jí)、次級(jí)葉輪運(yùn)動(dòng)，如圖4（b）所示，泵入口的水開始流入首級(jí)葉輪，同時(shí)，在葉輪入口處產(chǎn)生了一定的負(fù)壓，使得吸入管中的氣體隨管路進(jìn)入泵首級(jí)葉輪。從圖4（c）可看出，氣體進(jìn)入首級(jí)葉輪后，經(jīng)過離心力的作用，氣體開始進(jìn)入氣液分離室，并伴隨著首級(jí)葉輪內(nèi)的氣體越來越多。隨著首級(jí)葉輪內(nèi)氣體的增加，如圖4（d）所示，氣體進(jìn)入了次級(jí)葉輪，此時(shí)的首級(jí)葉輪主要對(duì)氣體做功，氣體受到重力影響，進(jìn)入氣液分離室的頂端。隨著首級(jí)葉輪流道內(nèi)含氣量的減少，氣液分離室中的氣體也越來越多，首級(jí)葉輪對(duì)氣水混合物做功增加，同時(shí)，從4（e）可以看出出口管中出現(xiàn)氣水混合物。如圖4（f）所示，吸入管中的氣體含量繼續(xù)減少，泵體內(nèi)的氣體含量很高，氣液混合比較均勻，出口管中的氣液混合物增多。圖4（g）顯示吸入管中的氣體全部進(jìn)入泵體。圖4（h）顯示自吸泵進(jìn)入正常排水階段，泵自吸過程結(jié)束對(duì)應(yīng)時(shí)間在t=7.31 s。

圖4 立式雙級(jí)自吸泵內(nèi)中截面氣液兩相分布

雙級(jí)自吸泵首級(jí)葉輪截面氣液兩相分布云圖如圖5所示。圖5（a）顯示，當(dāng)t=0.72 s時(shí)，此時(shí)自吸泵的首級(jí)葉輪內(nèi)部開始出現(xiàn)氣體。由圖5（b）（c）可以看出，當(dāng)t=0.78 s、t=0.84 s時(shí)，相對(duì)于壓力面，葉輪內(nèi)吸力面含氣率更大，并逐漸增加。造成這種現(xiàn)象的原因主要是空氣和水密度的差異，相對(duì)于水，空氣的流動(dòng)存在滯后，液體水向壓力面區(qū)域靠近，空氣則逐漸向容易產(chǎn)生流動(dòng)分離的葉片吸力面附近靠近。當(dāng)t=1.07 s時(shí)，從圖5（d）中可以看到，葉輪周圍空氣含量較高，水出現(xiàn)在蝸殼附近，且隨著空氣含量的增大，蝸殼內(nèi)部的水進(jìn)入氣液分離室。當(dāng)t=1.51 s時(shí)，自吸泵的整個(gè)葉輪蝸殼內(nèi)部幾乎充滿了空氣，此時(shí)首級(jí)葉輪以排氣為主，見圖 5（e）。由圖 5（f）～（h）可以看出，葉輪內(nèi)部的空氣含量逐漸降低，葉輪內(nèi)的空氣和水混合逐漸均勻，且主要以氣水混合狀態(tài)存在。當(dāng)t=3.52 s時(shí)，可以看出，吸入管中的氣體全部通過首級(jí)葉輪進(jìn)入氣液分離室，見圖5（i）。

圖5 首級(jí)葉輪截面氣液兩相分布云圖

立式雙級(jí)自吸泵次級(jí)葉輪截面氣液兩相分布云圖如圖6所示。從圖6（a）可看出，此時(shí)氣液混合物經(jīng)過自吸泵首級(jí)葉輪進(jìn)入次級(jí)葉輪。從圖6（b）可看出，葉輪流道內(nèi)的空氣和水分布不均勻，次級(jí)葉輪中的吸力面區(qū)域聚集含氣率低的氣水混合物。從圖6（c）可看出，次級(jí)葉輪中含氣率達(dá)到0.65左右，此時(shí)次級(jí)葉輪對(duì)氣水混合物做功最少。從圖6（d）（e）可看出，次級(jí)葉輪流道內(nèi)充滿均勻分布的氣水混合物。從圖6（f）可看出，次級(jí)葉輪、蝸殼和氣液分離室內(nèi)部空氣含量較少，排除氣水混合物基本上是水夾帶著少量氣體。

圖6 次級(jí)葉輪截面氣液兩相分布云圖

2.2 壓力及含氣率變化曲線

圖7示出自吸泵入口、首級(jí)葉輪進(jìn)口面靜壓與含氣率隨時(shí)間變化曲線。由圖可知，初始時(shí)間t=0 s時(shí)，首級(jí)葉輪進(jìn)口含氣率為0，首級(jí)葉輪進(jìn)口靜壓較低。當(dāng)時(shí)間為t=0.72 s時(shí)，空氣進(jìn)入首級(jí)葉輪，首級(jí)葉輪中的含氣率開始升高，并伴隨著首級(jí)葉輪進(jìn)口靜壓快速上升至9 000 Pa，隨后快速下降；當(dāng) 0.72 s＜t＜1.51 s時(shí)，吸入管中的氣體不斷進(jìn)入首級(jí)葉輪，首級(jí)葉輪主要對(duì)氣體做功，隨著時(shí)間增加，首級(jí)葉輪進(jìn)口面的含氣率迅速增加，最大值為0.98；在此過程中，伴隨空氣進(jìn)入葉輪，首級(jí)葉輪進(jìn)口靜壓出現(xiàn)一個(gè)小波動(dòng)，隨著進(jìn)氣量的增加，靜壓迅速升高，后隨之降低；當(dāng)1.51 s＜t＜3.52 s時(shí)，自吸泵內(nèi)的氣體主要進(jìn)入蝸殼和氣液分離室，首級(jí)葉輪內(nèi)的空氣逐漸減少至0，此時(shí)吸入管中空氣全部進(jìn)入自吸泵。在此過程中，當(dāng)含氣率逐漸減小時(shí)，伴隨著首級(jí)葉輪進(jìn)口靜壓先出現(xiàn)一個(gè)上升，后快速下降至-16.9 kPa。當(dāng)首級(jí)葉輪內(nèi)的空氣全部進(jìn)入氣液分離室后，靜壓逐漸穩(wěn)定在-12.5 K。同時(shí)，根據(jù)泵入口靜壓曲線可知。在0.72 s＜t＜3.52 s過程中，泵入口靜壓出現(xiàn)較小波動(dòng)，其余時(shí)間保持穩(wěn)定。

圖7 自吸泵入口、首級(jí)葉輪進(jìn)口靜壓與含氣率變化

自吸過程初期首級(jí)葉輪主要對(duì)水做功，當(dāng)有氣體進(jìn)入葉輪時(shí)，首級(jí)葉輪做功減少，同時(shí)由于重力原因，吸入管水柱快速下降，葉輪入口靜壓出現(xiàn)較大波動(dòng)。隨著含氣率的增加，排水能力減弱，靜壓值快速下降，1s后葉輪進(jìn)口與泵入口靜壓差增大，每次含氣率經(jīng)過波峰或波谷值時(shí)，首級(jí)葉輪進(jìn)口靜壓都會(huì)出現(xiàn)一定程度的上下浮動(dòng)，首級(jí)葉輪的自吸末期，首級(jí)葉輪不再對(duì)氣體做功，首級(jí)葉輪進(jìn)口靜壓開始穩(wěn)定。

圖8示出立式雙級(jí)自吸泵首級(jí)葉輪出口面、首級(jí)蝸殼出口面靜壓與含氣率隨時(shí)間變化曲線。從圖8可以看到，首級(jí)葉輪出口靜壓和首級(jí)蝸殼出口靜壓變化趨勢(shì)一致。當(dāng)0.72 s＜t＜1.51 s時(shí)，吸入管內(nèi)的氣體進(jìn)入首級(jí)葉輪，首級(jí)葉輪和蝸殼出口靜壓迅速下降，在t=1.51 s時(shí)，靜壓最小，當(dāng) 1.51 s＜t＜3.52 s時(shí)，靜壓值慢慢升高，主要是因?yàn)閷?duì)應(yīng)氣水混合物中水的體積分?jǐn)?shù)不斷增大，在t＞3.52 s時(shí)，吸入管中氣體全部進(jìn)入氣液分離室，首級(jí)葉輪不再對(duì)氣體做功，首級(jí)葉輪出口和蝸殼出口靜壓開始穩(wěn)定。靜壓變化規(guī)律和含氣率變化規(guī)律相反。從圖8也可以發(fā)現(xiàn)首級(jí)蝸殼出口面含氣率曲線和首級(jí)葉輪出口面含氣率曲線變化基本一致，它們的不同主要是因?yàn)榱黧w介質(zhì)流過的時(shí)間不一致，存在一定的滯后性，當(dāng)氣水兩相流體介質(zhì)流經(jīng)蝸殼后，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓能。當(dāng)0 s＜t＜0.72 s時(shí)，吸入管中氣體未進(jìn)入首級(jí)葉輪，首級(jí)葉輪出口和蝸殼出口含氣率均為0，當(dāng)0.72 s＜t＜1.51 s時(shí)，吸入管中氣體進(jìn)入首級(jí)葉輪，首級(jí)葉輪出口和蝸殼出口含氣率迅速上升，并在t=1.5 s時(shí)達(dá)到最大值，當(dāng) 1.51 s＜t＜3.52 s時(shí)，對(duì)應(yīng)含氣率又迅速下降，此時(shí)氣水混合物逐漸進(jìn)入氣液分離室，當(dāng)t＞3.52時(shí)，含氣率重新穩(wěn)定為0。

圖8 首級(jí)葉輪出口、蝸殼出口靜壓與含氣率

當(dāng)吸入管空氣進(jìn)入首級(jí)葉輪，首級(jí)葉輪內(nèi)的含氣率逐漸增大，首級(jí)葉輪逐漸對(duì)氣體做功增強(qiáng)，首級(jí)葉輪與蝸殼出口面的靜壓值下降。伴隨著首級(jí)葉輪中含氣率的減小，首級(jí)葉輪對(duì)氣水混合物的做功能力開始增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的出口面靜壓值開始上升。當(dāng)進(jìn)入首級(jí)葉輪中的氣水混合物全部進(jìn)入氣液分離室，首級(jí)葉輪不再對(duì)氣水混合物做功，首級(jí)葉輪不再對(duì)氣體做功，靜壓開始穩(wěn)定。

圖9示出立式雙級(jí)自吸泵次級(jí)葉輪進(jìn)出口面、蝸殼出口面靜壓與含氣率隨時(shí)間變化曲線。由圖9可以看到，次級(jí)葉輪出口靜壓和次級(jí)蝸殼出口靜壓變化趨勢(shì)一致，與次級(jí)葉輪入口靜壓變化趨勢(shì)不完全一致。次級(jí)葉輪進(jìn)出口含氣率和次級(jí)蝸殼出口含氣率變化規(guī)律一致，當(dāng)t=0.72 s時(shí)，吸入管氣體進(jìn)入首級(jí)葉輪，次級(jí)葉輪進(jìn)出口靜壓和次級(jí)蝸殼出口靜壓迅速降低，是因?yàn)殡S著含氣率的增加，首級(jí)葉輪對(duì)氣液混合物做功能力減弱。當(dāng)1 s＜t＜1.51 s時(shí)對(duì)應(yīng)3個(gè)靜壓均保持平穩(wěn)，是因?yàn)榇藭r(shí)首級(jí)葉輪內(nèi)部含氣率很大，首級(jí)葉輪對(duì)氣水混合物做功能力較差。當(dāng)t＞1.51 s時(shí)，次級(jí)葉輪出口靜壓和次級(jí)蝸殼出口靜壓先下降后上升，是因?yàn)闅馑旌衔镞M(jìn)入次級(jí)葉輪，次級(jí)葉輪的做功能力改變。次級(jí)葉輪進(jìn)口靜壓緩慢上升，是因?yàn)槭准?jí)葉輪含氣率降低，做功能力增強(qiáng)。當(dāng)t＞3.52 s時(shí)，次級(jí)葉輪進(jìn)口靜壓保持平穩(wěn)，是因?yàn)榇藭r(shí)首級(jí)葉輪不再對(duì)氣體做功，恢復(fù)正常做功。次級(jí)蝸殼出口和次級(jí)葉輪出口靜壓保持繼續(xù)緩慢上升，是因?yàn)榇藭r(shí)次級(jí)葉輪需要對(duì)氣水混合物做功，隨著含氣率的減小，次級(jí)葉輪做功能力逐漸回歸正常狀態(tài)。當(dāng)t=8 s后，靜壓趨于穩(wěn)定，此時(shí)自吸泵次級(jí)葉輪正常運(yùn)行，不再對(duì)氣水混合物做功。

圖9 次級(jí)葉輪進(jìn)出口、蝸殼出口靜壓與含氣率

3 結(jié)語(yǔ)

基于FLUENT軟件對(duì)一臺(tái)立式雙級(jí)自吸泵的自吸過程進(jìn)行非定常數(shù)值模擬，給出從開機(jī)到正常排水整個(gè)過程的氣液兩相流動(dòng)演化特性，包括泵內(nèi)首級(jí)葉輪、蝸殼與次級(jí)葉輪、蝸殼各進(jìn)出面的靜壓值、含氣率變化曲線，分析了自吸過程氣液兩相流動(dòng)的變化規(guī)律。通過設(shè)置泵吸入管空氣段和出口管節(jié)流閥，可相對(duì)真實(shí)地模擬立式自吸泵自吸條件，得到整個(gè)自吸過程的流動(dòng)演化。結(jié)果顯示：在雙級(jí)立式自吸泵的啟動(dòng)初期，當(dāng)有氣體進(jìn)入首級(jí)葉輪時(shí)，其葉輪做功減少，吸入管水柱由于受到重力作用，開始迅速下降，進(jìn)而對(duì)自吸泵葉輪入口的靜壓有較大影響。首級(jí)葉輪的做功能力隨氣水混合物中空氣分?jǐn)?shù)減小而逐漸增大，并伴隨著靜壓值逐漸上升，待自吸泵吸入管內(nèi)部的氣體完全進(jìn)入氣液分離室后，首級(jí)葉輪進(jìn)入正常工作狀態(tài)。首級(jí)葉輪進(jìn)入正常排水后，次級(jí)葉輪進(jìn)口面靜壓值開始穩(wěn)定，氣液分離室含氣率逐漸下降，次級(jí)葉輪逐漸達(dá)到正常排水狀態(tài)，出口靜壓值上升，完成整個(gè)自吸過程。