多级离心泵内部流动分析及性能预测
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摘 要
基于多重参考系（ MRF） 模型及Realizable k-ε湍流模型，对多级离心泵整机内部的湍流流场进行了数值模拟，分析了不同流量工况下的流场分布规律，揭示了离心泵内漩涡等不良流动结构发生的位置及原因，并对其外特性进行了预测。结果表明：由于蜗舌的影响，各流量工况下多级泵内部各级叶轮速度与静压、总压分布均呈现非对称性;流体流经叶轮其总压逐渐增加，流经蜗室逐渐降低;在首级叶轮入口吸力面处压力最低，故最易发生汽蚀现象;随着流量增加，多级泵的扬程逐渐降低，流道内产生的漩涡逐渐减小。预测的性能曲线与实验的性能曲线较为吻合。
关键词
多级泵;内部流动;数值模拟;性能曲线
中图分类号： TH311 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.032
0 前言
多级离心泵具有扬程高、运行安全平稳等优点[1]，在农业、电力、城市供水、石油化工等领域有着广泛应用，采用CFD方法研究其内部流动规律并预测外特性，具有节约时间、降低成本、利于分析等优点。
目前的多级离心泵，其各级叶轮和蜗室采用相同结构或相似结构设计，对多级泵的研究主要针对某一级叶轮或某一工况，对各流量工况下各级叶轮的系统性研究较少。本文以首级双吸叶轮，二、三级 “背靠背”叶轮布置的多级离心泵为研究对象，结构相对复杂，通过实验对叶轮和各级蜗壳内的压力、速度分布进行测量较为困难，因此本文采用FLUENT软件对多级泵内部流场进行三维数值模拟，分析了泵内部速度、压力等流动参数的变化规律，预测了流量-扬程、流量-轴功率和流量-效率性能曲线，并与实验所得的性能曲线进行了对比分析。
1 数值计算方法
1.1 几何模型及网格划分
利用三维造型软件Pro/E对多级离心泵进行几何三维造型，采用Gambit软件进行了网格划分。计算用泵主要设计参数如表1所示。
表1 多级泵主要设计和几何参数
1.2 求解器及方程离散格式的选取
选取realizable k-ε湍流模型，采用压力耦合方程组的半隐式（SIMPLE）算法求解离散方程，动量方程、湍动能与耗散率输运方程的离散均采用一阶迎风格式。在迭代计算的过程中，通过监测泵进口和出口单位面积平均总压的稳定程度辅助判断计算是否收敛。将叶轮区域设为运动坐标系，其他区域设为固定坐标系。把多级泵内流场简化为叶轮在某一位置的瞬时流场，将非定常问题用定常方法计算。
2 计算结果和分析
2.1 多级泵XY剖面总压分布
经过计算在450m3/h工况下多级泵XY剖面总压分布，各流量工况下总压都是沿着叶轮径向逐渐增加，经过蜗壳时由于流动损失会稍有降低，其变化趋势一致;同时各流量工况下泵出口处的总压有较为明显的区别：由于各工况下入口总压近似相同，当流量点较低时其出口总压较高，故其对应的扬程会较大，对照不同流量点的扬程也发现与此分析相吻合。
2.2 多级泵首级叶轮剖面相对速度和总压分布图
从图1中可以看出，由于小流量工况和蜗舌的影响，蜗舌附近流体有漩涡产生，且随着流量的不断增大，流体的挤压充塞作用越明显，漩涡的产生得到了抑制，其大小逐渐减小。同时随着流量的逐渐增大，叶轮内流线分布逐渐均匀，说明流动较稳定。而且较低流量工况下，叶片吸力面附近存在着较为明显的流动分离现象，随着流量的逐渐增加，流动分离现象得到了改善。
从图2中可以看出，叶轮入口处总压最低，且总压沿着叶轮径向逐渐增加，在叶轮出口处总压最高，经过蜗壳时由于沿程水力损失、漩涡和撞击等引起的损失影响，总压会稍有降低。同时由于蜗舌的影响，蜗舌附近叶轮出口处总压最高且与其他流道内对比分布不均匀。叶轮入口处和叶片吸力面进口稍后处压力最低，最易发生汽蚀现象，且叶轮内径向距离相同的位置压力面側总压高于吸力面侧总压，故叶轮流道内压力面和吸力面间也容易产生涡流。对比不同流量点下叶轮内部的总压，发现当流量较小时对应位置处的总压较高，随着流量的增大，叶轮流道内的压力分布逐渐改善，变得相对均匀;小流量工况下蜗舌附近的总压分布梯度变化较大。
2.3 多级泵次级叶轮剖面速度
随着二级叶轮对流体的做功，二级叶轮内的流体总压高于首级叶轮内流体总压，同时由于蜗壳内的沿程阻力、流体冲击等水力损失导致总压逐渐降低，下一级叶轮入口总压略低于上一级叶轮出口总压。速度相较于首级叶轮没有明显升高，当上级叶轮排出的流体经过压水室时，压水室起到了降低流体速度的作用，使其动能转化为压能，同时消除流体的部分旋转分量使流体以要求的速度和环量进入下一级叶轮。
3 多级泵的水力性能预测和实验验证
为验证数值计算结果的有效性，将计算获得的多级泵性能结果与实验测试结果进行了对比分析。多级泵的性能测试在本公司的性能测试平台上完成。从实验结果看，扬程的模拟值和实验值其结果分别为557.82m和575m，相对误差为3.9%，而在工况点和大流量下数值模拟值与实验值吻合得较好，误差较小。总体来看，泵的扬程和效率，数值模拟计算的性能曲线能够比较准确地反映出多级泵实际性能随流量的变化趋势，说明采用CFD技术对多级泵进行数值模拟并预测其外特性是可行的。
4 结论
利用FLUENT 软件，利用多重参考坐标系和realizable k-ε模型对首级双吸式多级离心泵的内部流场进行了数值模拟，分析了多级泵内部流场的速度和压力分布规律。
（1）由于蜗舌的影响，各级叶轮速度与静压、总压分布均呈现非对称性;在首级叶轮入口和叶片背面（吸力面）进口稍后处压力最低，最易发生汽蚀现象。
（2）小流量工况下叶轮内容易产生漩涡，随着流量的逐渐增加，叶轮和蜗壳内漩涡的产生都得到了抑制，且流动逐渐稳定均匀，流动分离现象得到改善。
（3）数值模拟计算与实验所得到的性能曲线随流量变化的趋势一致，采用CFD技术预测多级泵的性能是可行的。
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