离心泵小流量工况下的内部流动特性

2022-09-10

泵是现代工业中能量转换和液体输送的重要动力装置, 而离心泵是应用最为广泛的装置, 被广泛的应用在能源行业、农业灌溉以及交通运输行业等多个领域, 通过对离心泵的研究可以发现, 离心泵的运行状态取决于其内部流动特性。离心泵大部分情况下是在小流量工况下运行, 但是, 其在小流量工况下运行容易产生回流现象, 且叶轮流道内可能会发生分离漩涡, 从而造成离心泵系统运行的不稳定性, 因此, 本文结合数值模拟方法对小流量工况下的内部流动性进行分析, 得出流动规律, 从而为离心泵运行的稳定性提供支撑。

1 计算模型与计算方法

1.1 计算模型

本文的研究对象是低速率离心泵, 其设计参数见表1, 采用Pro/E软件进行三维建模, 且为了最大程度的排除干扰, 在叶轮进口增加了长度为五倍的进口直径, 在出口增加了长度为五倍的出口延伸段。

1.2 网格划分

模型建立完成后要进行数值计算, 而网格划分是数值计算的前提, 网格划分质量影响着数值计算的准确性, 本文进行离心泵内部流动特性的研究采用ICEM对网格进行划分, 共划分为四个部分, 进口管道、叶轮流道、蜗壳流道和扩压室, 考虑到离心泵设计复杂且工况不定, 进行建模时则采用性能比较好的四面体非结构网络。

1.3 网格无关性验证

网格的划分对模型数值的准确性影响很大, 因此, 对离心泵研究建模之前需要对网格做无关性验证, 便于选取合理的模型结果。网格无关性验证指的是当网格数量有一个恒定值时, 数值计算结果不再随数量的增加而改变数值, 计算结果也会得出一个恒定值。网格无关性验证是数值计算基础, 也是保证模型稳定性的前提, 其中, 扬程可当做参考标准, 即网格数量达到恒定值, 扬程变化比较小的情况下, 可以验证网格数量对数值验证结果是可信的, 且数值的准确度与网格数量无关。基于此, 本文选取一定范围的网格数, 分成八组网格, 进行数值分析, 见表2。

通过表2可以得出, 网格数达到108万时, 扬程最高, 而当网格数继续增大达到200万时, 扬程则降低到20.657, 网格数继续增大达到220万时, 扬程数为20.652, 变化不大, 而且随着网格数的增大, 扬程数基本没有变化, 这说明, 网格无关性验证指的是当网格数量有一个恒定值时, 数值计算结果不再随数量的增加而改变数值, 计算结果也会得出一个恒定值。

2 离心泵内部流场定常数值研究

离心泵内部流动特性会随着流量的变化不断地发生改变, 本文主要针对离心泵小流量工况下的内部流动流动特性进行定常数值模型研究。

2.1 离心泵外特性预测分析

离心泵的扬程和速率是内部流动特性的表现形式, 通过对1.25m3/h到16.25m3/h中多个工况进行数值计算, 得出离心泵内部流动特性曲线。

扬程计算公式:H=P2-P1/Pg, 其中, P2为离心泵出口总压, P1为进口总压, 单位为Pa;离心泵速率计算公式:ηh=pg QH/Mω, 其中, M为叶轮扭矩, 单位为N·s, ω为叶轮角速度, 单位为rda/s。根据扬程、速率的计算公式, 可以得出小流量工况下的各种数据, 进而得出离心泵小流量工况下的内部流动特性。根据不

2.2 离心泵内部流场计算分析

为更好地测算离心泵小流量工况下的内部流动特性, 特分析流量工况Q/Qd=1.0和小流量工况Q/Qd=0.4, Q/Qd=0.2时内部流动情况的数值分析, 通过不同流量下的方案设计, 通过计算可以得出, 叶轮轴面分布均匀的情况下, 离心泵的内部流量稳定;小流量工况下, 离心泵出现回流情况, 而且随着流量越来越小, 回流现象会变得越来越严重, 而且根据分析可以的得出, 小流量Q/Qd=0.2的工况情况下, 离心泵流道中的漩涡是最多的, 也就是说回流最为明显, 因此, 可以得出结论, 在液体回流的情况下, 流体逆主流方向回流至进口管的离心泵进口管道中, 甚至可能会回流到吸水管中。

3 离心泵内部流场非定常数值研究

上一部分通过定常数值分析了离心泵不同流量工况下的数值分析, 并获得了内部流动特性, 但是离心泵的内部流动特性是一个复杂的三维模型, 仅凭定常数值分析无法真实反映离心泵小流量工况下的内部流动特性, 因此, 还需要对离心泵内部流场非定常数值进行分析。

为了对蜗壳中的速度进行分析, 选取低比转速泵, 通过径向尺寸的对比, 轴向速度基本无变化, 通过分析可以得出结论, 随着离心泵流量的降低, 周向速度和径向速度也是不断地降低的, 使得进入蜗壳流道中的液体不断地减少, 进而使得蜗壳内的速度较低。本部分采用非定常数值分析法对离心泵小流量工况下的内部流动性进行分析, 通过能够监测点的设置分析了速度和压力, 并通过快速傅里叶变换获得压力脉动的频率特性。通过模型的建立可以得出, 小流量工况下, 液体出现分离和回流情况, 且高能流体会对进口管道内的主流产生干扰, 使得进口管道的流体变得没有规律性, 甚至可能会发生漩涡现象, 而且随着流量的不断减小, 离心泵内部的流线也是越来越没有规律, 进而占据了整个空间, 极易引起内部流量的不稳定性, 情况严重时可能会发生内部断流现象。

结束语

通过分析可以得出结论:不同流量的设计工况下, 离心泵扬程预测偏差为1.47%时, 则偏差为3.61%;在小流量工况下, 流量越小, 离心泵的预测值与实际值偏差趋势越小, 而效率则不断地增大;离心泵在小流量工况下, 进口管道会出现回流现象, 且随着流量的减小, 回流现象越明显, 甚至可能会出现堵塞叶轮流道的情况。

摘要：随着科学技术的发展和离心泵使用量的不断增加, 人们越来越重视离心泵运行的稳定性和高效性, 离心泵内部流动特性决定着其性能和运行状态, 一般说来, 离心泵内部流动性越好, 速度和压力的分布更具规律性, 则运行状态更稳定。不同的离心泵系统设置不同, 且离心泵运行状态也不同, 多是在小流量工况下运行, 一般情况下, 离心泵在小流量工况下运行会出现不稳定现象, 比如会出现回流、失速、流动分离等情况的发生, 这时会严重影响离心泵运行的稳定性和高效性, 因此, 为更好地研究离心泵小流量工况下的内部流动特性, 文中针对IS160-50-65型离心泵在小流量工况下进行数值模拟分析, 并为离心泵小流量工况下的内部流动特性提供一定的数值参考。

关键词：离心泵,小流量工况,内部流动特性