液環(huán)真空泵內(nèi)氣液兩相流動的數(shù)值分析

2009-10-11 黃思華南理工大學機械與汽車工程學院

　　液環(huán)真空泵是廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、礦山、電力、輕工等行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備。液環(huán)泵內(nèi)的流動屬于十分復雜的非穩(wěn)態(tài)氣液兩相流動，目前還存在著能耗高、效率偏低等問題，而現(xiàn)有的理論分析無法準確描述液環(huán)真空泵內(nèi)氣液兩相流動狀況。本文運用FLUENT流動軟件中的多相流歐拉分析方法結(jié)合滑移網(wǎng)格技術(shù)，模擬計算一單級單作用液環(huán)真空泵三維非穩(wěn)態(tài)氣液兩相流動問題。計算區(qū)域包括液環(huán)泵進出氣段、葉輪、進水管及泵體，滑移界面分別設(shè)置在液環(huán)泵的進、出氣段與葉輪之間的交界面以及葉輪出口與泵殼間的交界面。模擬計算包括液環(huán)真空泵內(nèi)氣液兩相流速、壓力、兩相分布等內(nèi)容。計算結(jié)果表明：本文所采用的分析方法和手段，可以較好的模擬分析計算液環(huán)真空泵非穩(wěn)態(tài)氣液兩相流動問題，對實現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計，具有重要的工程指導作用。

　　液環(huán)真空泵是一種以旋轉(zhuǎn)液體作為活塞，抽吸及壓縮氣體的回轉(zhuǎn)容積泵。當葉輪按順時針方向旋轉(zhuǎn)時，離心力的作用使工作液體甩向泵體四周形成液環(huán)，葉輪內(nèi)流道與液環(huán)之間形成一個近似月牙形的空腔，該空腔被葉輪葉片分隔成若干個小空腔。隨著葉輪旋轉(zhuǎn)，吸氣時小空腔容積由小變大；吸氣停止后小空腔體積再由大變小，氣體被壓縮并排出泵體完成整個壓縮過程。液環(huán)真空泵具有轉(zhuǎn)子與泵體無接觸、等溫壓縮等特點，特別適用抽吸和壓縮易燃易爆、含粉塵、水蒸汽的氣體，在石化、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)有著廣泛且不可代替的應(yīng)用。

　　液環(huán)真空泵內(nèi)的流動屬于十分復雜的非穩(wěn)態(tài)氣液兩相流�，F(xiàn)有液環(huán)泵小泵效率一般為30%~45%，大泵也只能達到50%左右。造成液環(huán)真空泵能耗高、效率低的主要原因是泵內(nèi)氣液兩相流產(chǎn)生了較大的水力損失，而現(xiàn)有的理論及分析手段未能準確有效的描述泵內(nèi)氣液兩相流動規(guī)律。

　　隨著近年計算機軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，運用計算流體力學（CFD）技術(shù)分析葉片泵內(nèi)部流動性能已成為一個發(fā)展方向。但液環(huán)泵內(nèi)的兩相流動遠比一般葉片泵的流動復雜得多：①泵內(nèi)具有一個大小形狀未知的氣液兩相分界面，必須采用多相流的分析方法。②泵內(nèi)的兩相流動是隨時間顯著變化的，必須采用非定常的分析方法。③常規(guī)葉片泵內(nèi)各流道的流動基本相同，一般只需分析一個流道即可，而液環(huán)泵中每個葉片流道內(nèi)的兩相流動是完全不同的，必須將整個液環(huán)泵流場作為一個整體進行分析。本文針對液環(huán)真空泵內(nèi)非穩(wěn)態(tài)氣液兩相流問題開展數(shù)值模擬研究，最終實現(xiàn)性能的可控制性及產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計，具有重要的科研價值及工程應(yīng)用意義。

1、液環(huán)真空泵內(nèi)非穩(wěn)態(tài)氣液兩相分析模型

　　基本方程組使用多相流動歐拉方法的標準k-e湍流模型，即分別在流體各相中引入k-e湍流模型。考慮相數(shù)為n 的多相流動的一般情形，各流相q的方程組為：

　　連續(xù)方程

　　湍流耗散率（εq）方程

　　式中：αq是第q相的體積分數(shù)，且所有相的總αq和為1。t是時間；vqq是q相流速；ρq 是q 相密度；μq和λq是q 相的剪切和體積粘度；kq 是q相的湍流動能；εq 是相q 的湍流耗散率；μt,q 是q相的湍流粘度；qg是重力加速度；Kpq 是相p 和q間的動量交換系數(shù)；qFq 是q 相外部體積力；qFlift,q是相q 升力；qFVm,q 是q 相虛擬質(zhì)量力。塄qvp 是q相流速梯度的張量矩陣；塄qvp' 是q 相流速梯度的轉(zhuǎn)置張量矩陣；[I]是單位張量矩陣；Cμ，C1ε，C2ε，C3ε 是湍流模型常量；Gk, q 是q 相平均速度梯度引起的湍動能；Clq，Cql是多相流模型常量。上述模型的具體處理方法可參見FLUENT 6.2用戶手冊。式（1）~（7）構(gòu)成了瞬態(tài)兩相湍流的基本方程組。