多級多出口離心泵的流動能耗計(jì)算分析

2014-05-02 黃思華南理工大學(xué)

　　采用CFD技術(shù)對多級多出口離心泵的能量損耗進(jìn)行分析研究。當(dāng)泵出口設(shè)置在多級泵中段時(shí)，泵出口下游段泵級出現(xiàn)明顯的大尺度渦旋，級內(nèi)的液流處于自循環(huán)狀態(tài)造成嚴(yán)重能耗。為定量掌握分析該部分能耗，將泵出口后下游段的流動域卸除進(jìn)行模擬計(jì)算及性能預(yù)測，與原模型的性能對比得到能量損失結(jié)果。計(jì)算結(jié)果顯示，隨著泵出口下游段級數(shù)的增多，泵揚(yáng)程沒有明顯變化，泵總效率卻顯著下降，但平均每級效率損失減少。

1、前言

　　多級多出口離心泵的結(jié)構(gòu)是在單出口多級泵的基礎(chǔ)上，在某個(gè)或幾個(gè)中段開設(shè)泵出口。因不同的出口產(chǎn)生不同的揚(yáng)程，用戶可根據(jù)工況需求選擇相應(yīng)的出口，達(dá)到一泵多用的效果。該種多級泵在確定某中段位置作為泵出口后，其它出口一般處于封閉狀態(tài)。因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為工作出口下游段的泵級內(nèi)液體將處于自循環(huán)流動狀態(tài)，這就難免做大量的無用功而消耗能量。

　　本文在之前工作的基礎(chǔ)上，采用CFD技術(shù)對多級多出口離心泵的能量損耗進(jìn)行分析研究，為改進(jìn)水泵的設(shè)計(jì)和提高水泵的操作性能提供理論依據(jù)。

2、流場數(shù)值計(jì)算

　　2.1、計(jì)算方法

　　2.1.1、計(jì)算域幾何模型及網(wǎng)格生成

　　以KDW65型4級3出口離心泵作為研究對象，應(yīng)用pro/e軟件建立流動計(jì)算模型(如圖1)。該泵具有1個(gè)末級出口，2個(gè)中段出口。葉輪葉片數(shù)為7，葉片原直徑尺寸是205mm，切割尺寸是186mm(只切割葉片)。徑向?qū)~的正反導(dǎo)葉葉片數(shù)分別為10和6。表1給出了該泵各級的葉片直徑和出口布置情況。

多級多出口離心泵流動計(jì)算域

圖1 多級多出口離心泵流動計(jì)算域

表1 泵葉輪葉片直徑和泵出口布置

泵葉輪葉片直徑和泵出口布置

　　將計(jì)算域三維實(shí)體導(dǎo)入ICEM軟件進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格劃分，選用四面體網(wǎng)格單元，按照既保證計(jì)算精度，又避免計(jì)算過于耗時(shí)的原則確定網(wǎng)格數(shù)，總網(wǎng)格數(shù)約為1000000。

　　2.1.2、邊界條件及初始條件

　　采用Ansys-CFX軟件模擬計(jì)算整機(jī)三維流動，選取標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型，壓力和速度的耦合采用SIMPLEC算法。壓力方程的離散采用標(biāo)準(zhǔn)式，動量方程、湍動能與耗散率輸運(yùn)方程的離散均采用一階迎風(fēng)格式。迭代計(jì)算時(shí)，通過設(shè)置迭代殘差值和監(jiān)測揚(yáng)程穩(wěn)定程度判斷計(jì)算是否收斂。計(jì)算域進(jìn)、出口邊界分別采用壓力及流量邊界條件，流量根據(jù)實(shí)際工況決定。對于多級多出口離心泵出口的設(shè)置，用戶在使用多級多出口離心泵時(shí)，一般不會同時(shí)使用幾個(gè)泵出口，而是根據(jù)實(shí)際需要選擇使用某一個(gè)泵出口。因此本文的模擬計(jì)算也只設(shè)置1個(gè)出口，其余出口設(shè)為壁面。

　　2.2、計(jì)算結(jié)果及分析

　　分別對多級泵設(shè)置不同工作出口進(jìn)行整機(jī)模擬計(jì)算。下面以泵出口在第2級為例進(jìn)行分析。圖2是設(shè)計(jì)工況下(66.2m³/h)整機(jī)及各級的流線分布圖。從圖中可以看到，工作出口上游的流線分布正常，沒有出現(xiàn)較大的漩渦。但在工作出口下游段泵級的流線分布紊亂，出現(xiàn)很多尺度較大的漩渦，如圖2(a)、(c)、(d)所示。工作出口下游段泵級中的液體隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)做自循環(huán)流動，并伴隨有較大的能量損耗。

多級多出口離心泵內(nèi)的流線分布