雙吸泵的空化性能研究

中國農村水利水電·2013年第2期117文章編號:1007-2284(2013)020117-05雙噘泵的空化性能研究劉東喜,莊宿國2,王健!,黃浩欽(1.江蘇大學(xué)流體機械工程技術(shù)研究中心,江蘇鎮江212013;2.西安航天動(dòng)力研究所西安710100摘要:通過(guò)試驗和數值計算研究了一臺雙吸泵的空化性能。為得到更為精確的模擬結果,在進(jìn)行數值計算之前分別對湍流模型和空化模型進(jìn)行了改進(jìn),并通過(guò)二次開(kāi)發(fā)技術(shù)把改進(jìn)后的模型添加到CFX中。把非空化與空化狀態(tài)下的模擬結果與試驗結果進(jìn)行了詳細的對比,對比結果表明數值計算能夠較妤地預測雙吸泵的能量特性及空化特性。此外,為較為全面地研究該雙吸泵內的空化流場(chǎng),不僅分析了葉輪內空泡體積分數分布和吸水室內空泡分布,還對泵體沿吸水室隔舌中間斷面靜壓分布和葉輪流道內總壓分布進(jìn)行了仔細的研究。研究結果明確了泵性能下降的主要原因是空化的發(fā)展,且數值計算能夠較為真實(shí)地反映雙吸泵的空化性能,從而為泵的優(yōu)化設計提供參考關(guān)鍵詞:雙吸泵;空化性能;空化模型;湍流模型中圖分類(lèi)號:TH3l文獻標識碼:AResearch on the Cavitation Performance of a double-suction PumpLIU Dong-xi, ZHUANG Suguo, WANG Jian, HUANG Haoqin(1. Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology, Jiangsu University, Zhenjiang 212013Jiangsu Province, China; 2. Xian Aerospace Propulsion Institute, Xian 710100, China)Abstract: In this paper, the cavitation performance of a double-suction pump is studied by experiments and simulations. To obtainmore accurate simulation results, the turbulence model and the cavitation model are improved and added to the cfx through the sec-ond development technology. Subsequently, the numerical results under the non-cavitation and cavitation conditions are comparewith the experimental data. The comparison shows that the numerical prediction can truly predict the energy characteristics and cavitation characteristics of the double-suction pump. In addition, for a more comprehensive study of the cavitating flows in the doublesuction pump, not only vapor volume fraction distribution in impeller and cavity distribution in the suction chamber, but the staticpressure distribution on intermediate cutting plane of pump and total pressure distribution in impeller passage are analyzed. The present study illustrates that the main reason for the decline of the pump performance is the development of cavitation, and the simulationcan truly reflect the cavitation performance of the double-suction pump, thus providing a good reference for the optimization design ofKey words: double-suction pump; cavitation performance; cavitation model; turbulence model0引言量大等特點(diǎn),在水利工程中得到了廣泛的應用。雙吸泵具有以下特點(diǎn):泵殼水平中開(kāi),便于檢查和維修;進(jìn)出口在同一方向且雙吸泵作為離心泵的一種重要形式,因其具有揚程高、流都垂直于泵軸,有利于泵和進(jìn)出水管的安裝與布置;葉輪結構對稱(chēng),沒(méi)有軸向力,運行較為平穩。在我國黃河沿線(xiàn)地區,提灌收稿日期:201209-05泵站流量較大、揚程都較高,這里大多都采用雙吸離心泵。南基金項目:國家自然科學(xué)基金(50825902、51079062、51109095水北調中線(xiàn)惠南莊泵站也采用了雙吸泵進(jìn)行供水。51179075);江蘇省自然科學(xué)基金(BK2009006、雙吸泵的空化性能是表征其綜合技術(shù)性能優(yōu)劣的一個(gè)重BK2010346);江蘇省成果轉化資金專(zhuān)項(BA2010155)要參數?？栈粌H會(huì )導致泵性能和效率下降,還會(huì )產(chǎn)生振動(dòng)和和江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設工程資助項目噪聲等一系列不利現象,空化引起的空蝕甚至會(huì )導致過(guò)流部件作者簡(jiǎn)介:劉東喜(1987-),男碩土研究生,主要研究方向為離心泵的損壞這嚴重影響泵和泵站的安全穩定和可靠運行。目前,空化流數值模擬。 E-mail: dongxiliul@ hotmail. con對于泵空化性能的研究主要有空化試驗和數值預測兩種方法118雙吸泵的空化性能研究劉東喜莊宿國王健等由于數值預測可以提供更多試驗數據以外的細節信息,比如速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等的詳細分布以及空泡產(chǎn)生和發(fā)展的規律等,近CE P,-Ca pmk 1+2幾十年來(lái),空化流動(dòng)的數值模擬越來(lái)越受到人們的關(guān)注?？栈鲾抵的M的關(guān)鍵在于建立合適的空化模型和湍流模型12Liu等利用 Baldwin-Lomax湍流模型和尾流封閉空化模式中:k和分別為湍動(dòng)能和湍流耗散率;P為湍動(dòng)能生成項型很好地預測了空化數對離心泵葉輪表面附著(zhù)空泡形狀的影a和分別為對應于k和e的湍流 Prandtl數。在CFX中,模響。Oki采用DS湍流模型和改進(jìn)的 Chen-Heist空化模型常數Cn,C,c,a,和列分別取值如下Cn=1.42Ca型計算葉柵和誘導輪中的非定?？栈鲃?dòng),分別觀(guān)察到間隙旋渦空化和回流空化,并通過(guò)試驗進(jìn)行了對比驗證。李軍等采為更準確地預測空化流場(chǎng)的震蕩特性,按照 Coutier-Del用改進(jìn)的基于液相/汽相界面追蹤的空化模型和算法,對空化8sha提出的方法對 RNG k-e模型的湍流粘度進(jìn)行修正。流動(dòng)條件下離心泵的水力性能進(jìn)行了數值預測研究。預測了 RNG k-E模型中混合介質(zhì)的湍流黏度定義為:=nCnk2/e空化系數對離心泵葉輪表面附著(zhù)空化氣泡形狀的影響和離心通過(guò)使用=f(A)Ck2/e,修正后的表達式有效地減小了湍泵葉輪內發(fā)生的多區域空化流動(dòng)現象。楊敏官等采用完全流黏度。此處,f(m)=A+[-A-)/(A-)(-p),n空化模型對軸流式模型泵設計工況下葉輪內空化流動(dòng)進(jìn)行全一般取值為10,如圖1所示流道數值計算。獲得了不同空化余量時(shí)葉片背面靜壓、空泡體修正后函數f積組分分布和不同軸截面上的空泡體積組分分布標準函數f目前對水力機械空化流的研究較多,但是對雙吸泵空化性能的研究還較少。本研究基于 ANSYS-CFX12求解器,對一臺雙吸泵進(jìn)行空化性能的數值計算和分析。為得到更為精確的計算結果,在進(jìn)行數值計算之前,分別對空化模型和湍流模型進(jìn)行了改進(jìn),并通過(guò)二次開(kāi)發(fā)技術(shù)把改進(jìn)后的模型添加到004006008001000CFX中。最后得到了內部流場(chǎng)空泡、壓力等的分布規律,并結圖1湍流黏度修正(n=10)合試驗對數值計算結果進(jìn)行了驗證Fig. 1 Modification of the turbulence viscosity (n= 10)1數學(xué)模型1.3空化模型及改進(jìn)空化模型采用廣泛應用于各種空化流模擬的 zwart空化1.1控制方程模型0:在基于均質(zhì)多相傳輸方程的模型中,使用以下的一系列控制方程來(lái)描述空化流場(chǎng):R=Fa 3an 1-04/2 P-P PP(A)+(mM)=-9+在水力機械中存在多種類(lèi)型的空化,如片狀空化、云狀空化等,且它們中的絕大多數又都是湍流。為了把湍流對空化的aar t ar:3 ax v)重要影響引人空化模型,同時(shí)使修正的RNGk模型和 Zwarta(av p, 2+a(a pv u2-R-Ro模型能夠更好地結合在一起,使用一個(gè)概率密度函數( probability density function,PDF)來(lái)考慮湍流壓力脈動(dòng)(Pam)的影式中:、、為速度分量;n、分別為混合介質(zhì)密度汽相響1,即通過(guò)PDF方法來(lái)修正相變臨界壓力(汽化壓力)。該密度;an為汽相積分數;x分別為混合介質(zhì)動(dòng)力黏度、湍流黏方法需要估計Pm值:度;R、R分別代表蒸汽生成率和蒸汽凝結率。39 pn上述方程組依次是汽/液混合介質(zhì)的質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量P=(Pnt+ Ped/2)守恒方程以及汽相體積分數輸運方程。體積分數輸運方程的式中:P。是相變臨界壓力;Pu是飽和汽化壓力;空泡半徑RB提出是為了求解流場(chǎng)中2相分布。=1.0×10-6m;成核位置體積分數am=5×10-4;Fup、Fam分1.2湍流模型及改進(jìn)別是用來(lái)調節蒸發(fā)和凝結率的經(jīng)驗常數,分別取值50、0.01;rng k-e模型在空化流CFD計算中有著(zhù)較為理想的效為液相密度。果3,模型形式如下:=COmk-2研究對象及參數設置a42+a2-a[(m+)3于P2.1研究對象本文研究的雙吸泵的主要技術(shù)指標如表1所示。該泵的a2+8x.2=a[(m+2)出]+主要過(guò)流部件包括吸水室、葉輪和蝸殼等。用ProE進(jìn)行過(guò)流部件的三維造型,得到所需要的流道三維造型。該泵流道造型雙吸泵的空化性能研究劉東喜莊宿國王健等119結果如圖2所示。本文模擬結果與試驗結果較為吻合,在額定工況下,揚程相對表1雙吸泵主要技術(shù)指標誤差為1.85%,效率絕對誤差為0.43%。Tab. 1 The main technology indicators of double suction pumpH/NPSH,(m3:h-1)m(r·min-1)1300329602.830預測揚程預測效率一-實(shí)驗揚程1400o/(mh)圖4泵能量特性曲線(xiàn)Fig 4 The energy characteristics curves3.2空化狀態(tài)下的性能分析圖2雙吸泵裝配模型3.2.1雙吸泵空化性能曲線(xiàn)Fig 2 Model of the double suction pump取流量為1300m/h的額定工況進(jìn)行空化數值計算,并與使用 CEM CFD對該雙吸泵進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其中進(jìn)出口延試驗結果進(jìn)行對比數值模擬與試驗結果的對比如圖5所示。長(cháng)段部分采用結構化網(wǎng)格,泵流道部分采用適用性較強的非結35構化網(wǎng)格,網(wǎng)格總數為203萬(wàn)圖3為泵計算區域網(wǎng)格。實(shí)驗值圖5空化性能曲線(xiàn)圖3雙吸泵計算區域網(wǎng)格Fig 5 Cavitation performance curvesFig 3 Computational grid of the double suction pump從圖5中可以看出數值模擬能正確預測到NPSH減小2.2參數設置到一定程度時(shí)泵揚程系數的急劇下降,且數值計算結果與試驗ANSYS-CFX12采用基于有限元的有限體積法(CV-值較為吻合。FEM對方程組進(jìn)行離散。離散方程使用全隱式耦合代數多重3.2.2葉輪內空泡體積分數分布網(wǎng)格方法進(jìn)行求解。這種求解技術(shù)避免了傳統算法需要“假設當泵內局部壓力低于輸送液體工作溫度下的汽化壓力時(shí),壓力項一求解一修正壓力項”的反復選代過(guò)程,而同時(shí)求解動(dòng)就會(huì )產(chǎn)生空泡。圖6為額定工況下不同NPSH時(shí)葉片表面量方程和連續方程,加上其多重網(wǎng)格技術(shù),使得該類(lèi)方法在的空泡體積分數分布。ANSYS-CFX中具有很強的健壯性且能有效模擬渦輪機械中由圖6可知,當NPSH=7.97m時(shí),此時(shí)葉輪進(jìn)口吸力的漩渦流。模擬過(guò)程主要可分兩步先進(jìn)行單相非空化數值模面處已開(kāi)始有空泡產(chǎn)生,這是因為此處的圓周速度大于進(jìn)口其擬然后以此計算結果為初始值進(jìn)行空化兩相流數值模擬。他位置由速度三角形可知其進(jìn)口壓力損失及進(jìn)口繞流引起非空化與空化計算的邊界條件設置大體一致:進(jìn)出口分別的壓降相應變大。此外,葉輪進(jìn)口處的流道轉彎,液體由于轉設為總壓進(jìn)口和質(zhì)量流量出口,在固壁處采用絕熱無(wú)滑移邊界彎時(shí)離心力的作用流速會(huì )變大根據伯努利方程壓力則會(huì )降條件,近壁區采用 scalable壁面函數。不同的是,在進(jìn)行空化流低,較容易產(chǎn)生空泡。隨著(zhù)NPSH的降低泵內部發(fā)生空化計算時(shí),需設置進(jìn)口處的液相和汽相體積分數分別為1和0?？张菰谌~片表面逐漸增加,并且逐漸由葉片背面的低壓區域向葉輪和蝸殼之間的動(dòng)靜耦合通過(guò)設置 Frozen rotor交界面來(lái)流道內擴展,當達到葉片的工作面后,空泡對流道造成堵塞,這實(shí)現。通過(guò)逐步減小泵進(jìn)口總壓的方式使泵內部發(fā)生空化。將影響葉輪內部的能量交換過(guò)程,嚴重時(shí)會(huì )引起外特性的3數值計算結果及分析下降。32.3吸水室內空泡分布31單相非空化狀態(tài)下的性能分析圖7為在額定工況下不同NPSH時(shí)吸水室內空泡分布首先在單相條件下對該雙吸泵進(jìn)行數值模擬和試驗驗證。圖,為了更為直觀(guān)地表示空泡分布,本文選取空泡體積分數為選取流量為586、974、1300、1461和1653m3/h等5個(gè)工10%的等值體來(lái)表示吸水室內空泡分布情況況進(jìn)行數值計算研究,并與試驗結果進(jìn)行對比。如圖4所示,由圖7中可以看出,吸水室內的空泡主要集中在出口區域120雙吸泵的空化性能研究劉東喜莊宿國王健等空泡體積分數q0.30.40.50.60.70.80.91⑩⑨⑨⑨VPSA=10 mNPSH=7.97 mNPSH=6 mVPSH=4 mNPSH=1.5m圖6不同NPSH4下葉輪內空泡體積分數分布Fig 6 Vapor volume fraction distribution at different NPSHa in impellerNPSH =9.5 m\PSA=5mVPSH=3 m圖7不同NPSH下吸水室內空泡分布Fig. 7 Cavity distribution at different NPSHa in suction chamber(即吸水室隔舌部位)。當泵的NPSH=3m時(shí),吸水室內的延,引起吸水室內的空化初生?？张莶⒉粐乐刂皇窃诔隹诔霈F少許空泡。隨著(zhù)NPSH的降3.2.4泵體沿吸水室隔舌中間斷面靜壓分布低,當泵發(fā)生嚴重空化,即泵葉輪進(jìn)口區域嚴重堵塞時(shí),吸水室為了更為全面地觀(guān)察整個(gè)泵系統的空化發(fā)展情況,圖8采內才會(huì )產(chǎn)生大量的空泡發(fā)生嚴重的空化現象這說(shuō)明吸水室取圖8a)所示的切隔斷面,分析泵在不同NPSH時(shí)的壓力分內的空化主要是由泵葉輪空化造成的,當泵葉輪流道發(fā)生嚴重布情況。堵塞,以致喪失做功能力后,空泡從葉輪進(jìn)口向吸水室出口蔓由圖8可知,隨著(zhù)NPSH2的不斷降低斷面的壓力分布73.63630.913827541131501872-4262-99RGOGOHNPSH 9.5 m NPSH, 5 m NPSH, 2. 8 m NPSHa= 2 m NPSH, 1.5 m(a)斷面切割示意圖(b)斷面靜壓分布圖8不同NPSH4下泵體沿吸水室隔舌中間斷面靜壓分布Fig. 8 Static pressure distribution at different NPSHa on intermediate cutting plane of pump出現明顯的下降。當NPSH=5m時(shí),某個(gè)葉片進(jìn)口處開(kāi)始現較大的空化低壓區,泵的揚程才開(kāi)始下降。這種現象說(shuō)明,出現較大的低壓區,對照圖5,可以發(fā)現此時(shí)泵的揚程并沒(méi)有開(kāi)在空化的初生階段,泵的能量特性曲線(xiàn)并無(wú)明顯的變化,等產(chǎn)始下降,當NPSHm時(shí),此時(shí)大多數葉片進(jìn)口都已經(jīng)出生的空泡覆蓋過(guò)流部件的表面,并逐漸蔓延至出口時(shí),泵的能雙吸泵的空化性能研究劉東喜莊宿國王健等量特性曲線(xiàn)才會(huì )出現明顯的變化此時(shí)空化已經(jīng)發(fā)展到一定程4結語(yǔ)度,也就是說(shuō),空化的初生對泵的能量特性沒(méi)有嚴重的影響3.2.5葉輪流道內總壓分布本文選取一臺雙吸離心泵為研究對象,使用改進(jìn)的湍流模為了研究離心泵內能量的傳輸過(guò)程,在葉輪流道內劃分出型和空化模型對其進(jìn)行了非空化與空化流數值模擬,并分別與9個(gè)斷面,從接近葉片進(jìn)口的斷面I到接近葉片出口的斷面試驗結果進(jìn)行對比,對比結果較為吻合這表明本文選用的計IX這樣流道就被分為8個(gè)不同的區域,如圖9所示。從這8算模型能夠較好地預測雙吸泵的能量特性以及空化特性個(gè)區域來(lái)分析葉輪內部的空化流場(chǎng)較為全面地研究了雙吸泵內的空化流場(chǎng)。不僅分析了葉輪內空泡體積分數分布和吸水室內空泡分布,還對泵體沿吸水ⅨⅧⅦ室隔舌中間斷面靜壓分布和葉輪流道內總壓分布進(jìn)行了仔細的研究。研究結果明確了泵性能下降的主要原因是空化的發(fā)展,且數值計算能夠較為真實(shí)地反映雙吸泵的空化性能,從而為泵的優(yōu)化設計提供參考參考文獻[1]劉厚林,劉東喜,王勇,等.泵空化流數值計算研究現狀及展望[J].流體機械,2011,39(9):38-44[2]劉厚林劉東喜,王勇等.三種空化模型在離心泵空化流計算中的應用評價(jià)[].農業(yè)工程學(xué)報,2012,28(16):54-59[3] Liu Lijun, Li Jun, Feng Zhenping. a numerical method for simulation of attached cavitation flows []. International Journal for Nu-圖9葉輪流道切割斷面merical Methods in Fluids, 2006. 52(6): 639-658Fig. 9 Location of the analyzed flow sections[4] Okita K, Ugajin H, Matsumoto Y Numerical analysis of the infl首先求出各個(gè)斷面總壓的平均值,然后求出相鄰斷面間流ence of the tip clearance flows on the unsteady cavitating flows in道的壓力增量繪制葉輪流道總壓分布圖,如圖10所示。從圖a three-dimensional inducer [J]. Journal of Hydrodynamics, 2009中可以看出,隨著(zhù)NPSH的不斷下降葉輪的總壓開(kāi)始保持21(1):34-40.不變,當NPSH4下降到3m時(shí),總壓開(kāi)始下降,且總壓的下降[5]李軍,劉立軍,豐鎮平附著(zhù)空化流動(dòng)下離心泵水力性能數值預測[]西安交通大學(xué)學(xué)報,2006,40(3):257-260.基本位于上游斷面I一Ⅳ,而下游斷面Ⅵ一Ⅸ基本不受空化的[6]楊敏官,姬凱,李忠軸流泵葉輪內空化流動(dòng)的數值計算[J影響。這充分說(shuō)明了當泵發(fā)生空化時(shí),最低壓力點(diǎn)首先出現在農業(yè)機械學(xué)報,2010,41(1):11-14.葉片進(jìn)口處,泵首先在葉輪進(jìn)口發(fā)生空化,然后向整個(gè)流道[7] Zhou Lingjiu, Wang Zhengwei. Numerical simulation of cavitat蔓延。around a hydrofoil and evaluation of a RNG k-e model [].Journof Fluids Engineering, 2008, 130(1):1[8]舒敏驊,劉厚林談明高等.不同比轉數離心泵設計工況下湍流模型的適用性研究[]中國農村水利水電,2011,(2):142-145.[9] Coutier-Delgosha O, Fortes-Patella R, Reboud JL, et al. Stability of preconditioned Navier- Stokes equations associated with acavitation model[J]. Computers Fluids, 2005, 34(3):319rt P, Gerber A G, Belamri T. A two-phase model for prediccavitation dynamics[c]//Proceedings of ICMF 2004 Inter-109.58977976.956national Conference on Multiphase Flow, Yokohama, JapaNPSH /m2004:1-11.圖10葉輪流道內總壓分布圖[ll Singhal A K, Athavale MM, Li H, et al. Mathematicaland validation of the full cavitation model[J]. Journal ofFig. 10 Repartition of the total pressure in the impellerEngineering,202,124(3):617-624≯于身》方》》》》》》》》》》》》】》2》》》》》》》》》》》》》》》》歡迎投稿歡迎訂閱歡迎刊廣告““+“十“+““+“