离心泵小流量工况下的内部流动特性

离心泵小流量工况下的内部流动特性

张勇

中国石油化工股份有限公司天津分公司天津市300270

摘要：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，

关键词：离心泵；小流量工况；内部流动特性；

离心泵作为工业中常用的装置，其内部流动特性直接影响着工作的效率。通常情况下，其压力与速度是判其内部流动性是否良好的主要指标。现今的离心泵在运行时，工作环境绝大多数为小流量工况，所以就会导致其在运行过程中较易出现性能不稳定等问题，直接影响到工作的效率，所以工作人员一定要重视对其内部流动性的分析。

一、计算模型

1.计算模型。

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。

表1离心泵主要设计参数

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，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。

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。

二、数值计算方法

1.控制方程。离心泵内部为三维不可压缩黏性流体的湍流流动，采用的控制方程为质量守恒方程和基于雷诺时均ＲANS的动量守恒方程．控制方程的离散采用基于有限元的有限体积法，对流项采用高分辨率格式，收敛精度设为10－4，并检测扬程变化曲线以保证计算结果的可信度．

2.湍流模型。叶轮机械的内部流动是一种高度复杂的三维非定常、带旋转的湍流运动．在数值计算中，为实际应用问题选择最优的湍流模型具有一定的挑战性．由于标准k－ε模型在科学研究及工程实际中已得到了最为广泛的检验和成功应用，且k－ε模型数值预测的结果更具稳定性和可靠性．同时文中所选网格的y+值均低于200，基本能满足湍流模型k－ε对近壁区网格质量要求．因此，文中基于优化后的网格数三和k－ε湍流模型，对模型离心泵分别在设计流量工况和小流量工况下的内部流场进行定常数值计算，从而预测离心泵的性能．

3.交界面设置与计算边界条件。选用模型离心泵的计算流体域包括吸入管道、叶轮、蜗壳流道3部分．将叶轮与吸入管道、叶轮与蜗壳间设置动静交界面，将各个流体域连接成一个整体．在定常流动模拟中，吸入管道与叶轮、叶轮与蜗壳之间交界面均设置为FrozenＲotor模式．网格结点的匹配方式采用GGI模式．选取速度进口，出口开放的进出口边界条件．在多个流量工况Q/Qd=1.0，0.8，0.6，0.5，0.4，0.2下，针对模型泵的内部流场进行定常数值模拟．模拟时以清水为工作介质，固壁面采用无滑移边界条件，近壁区应用标准壁面函数．给定的湍动能k和湍流耗散率ε值如表2所示，选用商用软件AnsysCFX12.0进行计算．

表2湍动能和湍流耗散率值

三、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，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。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=pgQH/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。根据不同流量下离心泵的数值结果，可以得出小流量工况下离心泵的扬程和速率的计算数值，进而通过模拟计算，得出不同工况下的流动特性，但是，考虑到设备条件的不同，对流动性能的模拟可能会存在误差，将非全流场计算得出的扬程值的5%作为损失补充部分。

四、离心泵内部流场非定常数值研究

由于离心泵的模型在建立时，相当的复杂，所以仅对定常值分析时，无法准确地其内部的流动特性进行分析，所以还要在分析的过程中加入对非定常值的分析。所以分析出蜗壳的速度，因此要选取低比转速泵来进行分析。首先对比其径向的尺寸，而轴向的速度几乎没有变化，然后通过对其进行分析，可以得出径向速度以及轴向速度的变化与离心泵流量成正比，所以如果轴向流量降低，蜗壳内

液体的流量也会减小，同时速度也会变慢。笔者主要是通过模型来对小流量工况下液体的回流情况进行分析，经过分析表明，管道内的液体会受到高能流体的影响，进而破坏其规律性的流动，甚至会出现漩涡，同时随着管道内流量的减少，其曲线也变得越来越没有规律，进而导致其产生较为严重的影响，甚至出现断流。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。

总之，离心泵是工业中使用较为广泛的装置，也在生产过程中起着重要的作用，而其内部的流动性是影响其工作效率以及性能的主要因素，所以研究人员一定要重视对其内部特性的分析。此外，研究人员也不能止步于此，还应该在未来的社会发展过程中不断地摸索出更先进的技术来对其性能进行优化，加快其在生产过程中的效率，进而为企业创造出更大的效益，实现自身行业的长足发展。

参考文献：

[1]张建平.离心泵进口回流流场及其控制方法的数值模拟.2018.

[2]李中林，浅谈离心泵小流量工况下的内部流动特性.2017.