基于CFD的离心泵气液两相流流动特性的研究_余俊龙.pdf

2023 年 第 7 期 化学工程与装备 2023 年 7 月 Chemical Engineering&Equipment 33 基于 CFD 的离心泵气液两相流流动特性的研究 基于 CFD 的离心泵气液两相流流动特性的研究 余俊龙，徐茂钦，陈显均，李林鑫（四川化工职业技术学院机械工程学院，四川 泸州 646300）摘 要：摘 要：为了进一步探究离心泵内稳态气液两相流动特性规律，基于 ANSYS CFX 计算软件对不同进口含气率工况下模型泵进行定常流动数值模拟，得到全流道稳态流动特性。研究结果表明：随着含气率的增加，低压区逐渐扩大，高压区分布远离蜗壳出口方向且趋于无序，空化效果增强，冲击加剧。气相聚集主要发生在叶片吸力面，含气率增加，加剧气液两相失衡过程，降低泵的做功能力。研究结果可为离心泵水力设计和结果优化提供参考。关键词：关键词：离心泵；气液两相；流动特性 引 言 引 言 离心泵是现代工程设计中选用非常普遍的动设备，在石油化工、城市供排水、采矿和农业灌溉等领域有广泛的应用。具有结构简单、操作方便、使用周期较长等特点，但在实际的工程应用中，由于进口的真空度过低或介质为含有气液两相的混合物，会使泵内单相流动变为气液两相状态。气相的存在会使泵内混合物的密度降低，离心力减小，泵的性能降低，对泵的正常运行和使用寿命带来一系列的危害1。传统离心泵的研究是基于试验方法，由于试验周期较长，费用较高，加上泵内流动可视化技术还有待进一步提高，因此数值模拟已开始广泛应用于研究流场流动特性。王正阳2等基于 Rayleigh-Plesset 方程的输送空化模型，选用标准-湍流模型模拟了离心泵内流场空化特性，结果表明空化发生的区域与低压区相对应，先发生在叶片吸力面进口处，数值模拟结果与试验结果较为一致。刘媛媛3等采用改进的Kubota空化模型和RNG-湍流模型对空化流动进行了数值求解，结果表明叶片发生空化后附着空化改变了叶片型线，堵住整个流道，造成了叶片做功能力逐步丧失。罗兴锜4等基于欧拉欧拉非均相流模型及SST湍流模型求解气液两相流离心泵的三维湍流流场，结果表明叶轮气液分布不均导致叶轮内的压力分布不均，叶轮受力不均。牟介刚5等基于仿生学原理，运用 Singhal 完全空化模型，模拟不同直径的圆形非光滑表面叶片的离心泵在不同空化余量下的分布特性，结果表明圆形非光滑表面叶片能够增加叶片吸力面近壁面处湍动能，对空化起到抑制作用。曹玉良6等对Singhal，Zwart-Gerber-Belamri，Schnerr-Sauer 和 Kunz 4中空化模型，以及标准-，RNG-，SST 三种湍流模型在水泵空化数值模拟中的应用情况进行分析，结果表明基于 Rayleigh-Plesset 方程的空化模型忽略了表面张力、粘性及二阶时间倒数的影响，结果都存在一定误差。刘春哲7等基于 RNG-湍流模型和 Schnerr-Sauer 方程对非定常条件下汽蚀空泡演化过程进行数值模拟，结果表明叶片靠近隔舌时空化加剧，叶片原理隔舌时空化减弱，流动增加。高豪8等基于雷诺时均方程和雷诺应力湍流模型分析气液两相条件下叶轮开孔在不同入口含气率对其效率和扬程的影响，结果表明高含气率的情况下，开孔叶轮能有效提高泵的扬程和工作效率。综上所述，离心泵内部气液两相流动的数值模拟中研究重点在空化的机理与影响，含气率对稳定流动特性的研究也至关重要，但相关文献还不充分。本文以单级单吸蜗壳离心泵为研究对象，利用 ANSYS CFX 软件在设计的流量及转速条件下模拟不同进口含气率的气液两相流的流动特性，为进一步提高气液两相下泵的输送效率提高依据。1 计算模型 1 计算模型 1.1 三维模型 本文针对单级单吸蜗壳离心泵，采用 solidworks 软件进行建模，其设计工况为：流量 Q=227m3/h，扬程 H=70m，转速 n=3600r/min，比转速 ns=136；其中在水力模型中D1=120mm，D2=210mm，b2=20mm，叶片数 Z=6。1.2 网格划分 基于专业 CAE 前置软件 ICEMCFD 进行网格划分。由于模型结构较为复杂，采用四面体非结构化网格进行整个计算域的划分，并对局部位置进行加密，捕捉流动细节。为保证计算的准确性，针对 2.02106、2.75106和 5.06106网格数量的模型进行模拟，设计流量、不考虑汽蚀，定常流动的数值计算结果显示，三者水力效率及扬程间的相对偏差在2%以内，综合求解精度及计算能力，最终选择数值计算网格数为 2.75106。2 数值模拟 2 数值模拟 2.1 控制方程 离心泵内部流动受物理守恒定律控制，在绝对坐标系下不可压缩的牛顿流体连续性方程和动量守恒方程如下。连续性方程：DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.07.09434 余俊龙：基于 CFD 的离心泵气液两相流流动特性的研究 （1）动量守恒（Navier-Stokes）方程：()()()pdivdiv grad txS+=-+（2）()()()pdivdiv grad tySvvvv+=-+（3）()()()pdivdiv grad tzS+=-+（4）式中，为流体的密度；、v和为流体在 3 个方向上的速度平均值，为速度的动量值；S、Sv和S是动量守恒方程的广义源项。2.2 湍流模型 离心泵的内部流动为复杂的湍流，考虑到流动流线弯曲程度较大和弯曲壁面的影响，本文选择重整化群（RNG）-模型来预测泵内气液两相流动规律。该模型方程可表示为：()()+tikeffkjjkkkGxxx =+（5）()()212+tieffkjjCGCxxxkk*=+-（6）其中，efft=+；2tkC=；()01131/1CC*-=-+；()1/22ijijkEE=；12jiijjiExx=+；eff为黏度，2/N s m；0.084C=；ijE为时均应变率；1C*为经验常数修正项；相关常数1.39k=,04.377=,11.42C=,21.68C=,0.012=。2.3 边界条件设置 对离心泵进行多工况数值计算，选用 mixture 模型，假定气液两相流为泡状流，在泵进口处认为含气体积为均匀分布，气相设置 0.2mm 球形气泡。计算进口设置为速度进口，沿轴向进入叶轮，速度值为 5.58m/s，压力为常压。出口条件设置为压力出口。叶轮与蜗壳面采用无滑移涡体边界条件。结合离散方程 SIMPLE 算法求解压力速度耦合方程组，控制方程对流项的离散二阶迎风格式，扩散项、原项采用二阶中心差分格式。整个过程中设置扬程为监测点，当数值计算扬程趋于稳定时，认为计算已经收敛。3 计算结果与分析 3 计算结果与分析 3.1 离心泵全流道截面静压与气相分布规律 图 1 为离心泵全流道截面静压与气相分布图。分析静压分布可知：在相同转速条件下，泵内静压从叶轮进口到涡轮出口逐渐增加。随着叶轮入口含气率的增加，空化作用加剧，低压区沿叶片方向逐渐扩大。蜗壳出口压力随进口含气率的增加减小，高压区域分布远离蜗壳出口方向且趋于无序。分析气相分布可知：离心泵叶轮入口聚集大量气相，随着入口含气量的增加，叶轮内气相聚集沿叶片方向逐渐扩大，含气量的增加加剧空化的作用。同时发现，随着含气量的增加，首先在靠近蜗壳出口一侧，出现气相富聚现象，原因是隔舌对流体的扰动作用及旋转叶轮与蜗壳水流的动静干涉，恶化流态。余俊龙：基于 CFD 的离心泵气液两相流流动特性的研究 35 IGVF=0%IGVF=6%IGVF=12%图 1 离心泵全流道截面压力分布 图 1 离心泵全流道截面压力分布 3.2 全流道气液相速度矢量分布 图 2 为全流道气液相速度矢量分布图。由图可知：入口含气率增加，叶轮入口流态无明显变化，比较稳定。而在叶轮出口方向上，随着含气率的增加，叶片吸力面气液两相流线聚集越发明显，流体对叶片的冲击加剧。说明含气率的增加，加剧气液两相失衡过程，空化效果增强，进而冲击加剧。因此，泵在运行过程中应尽量避免高含气率的工况长时间工作。IGVF=0%IGVF=6%IGVF=12%图 2 全流道气液相速度矢量分布 图 2 全流道气液相速度矢量分布 3.3 叶片表面气相体积分布 图 3 为离心泵叶片表面气相分布。由图可知：叶片吸力面沿出口方向含气率逐渐增大，达到顶峰后骤降，大量气相又重新凝结为液相，气泡的破裂易发生异常的振动与噪声，36 余俊龙：基于 CFD 的离心泵气液两相流流动特性的研究 甚至造成汽蚀现象。同时，随着入口含气率的增加，气相的聚集情况越发严重，向叶片的出口方向延伸，大量的气相聚集易出现漩涡或气锁现象，甚至造成断流现象。IGVF=0%IGVF=6%IGVF=12%图 3 叶片表面气相分布 图 3 叶片表面气相分布 3.4 叶轮进出口压力分布 图 4 为离心泵叶轮进出口压力分布。由图可知：不同入口含气率的叶轮进出口压力变化趋势相似，但随着入口含气率的增加，进出口压差降低，压降增大。说明泵的增压能力降低，增压负荷增大。图 4 叶轮进出口压力分布图 图 4 叶轮进出口压力分布图 4 结 论 4 结 论 基于 CFD 技术，对离心泵不同入口含气率的工况下气液两相流流动进行模拟，得到离心泵内部流场的特性规律，得出以下几点结论。（1）随着入口含气率的增加，叶轮低压区沿叶片方向逐渐扩大，高压区域逐步远离蜗壳出口方向且趋于无序。叶轮内气相聚集沿叶片方向逐渐扩大，恶化流态，加剧空化作用。（2）气相聚集主要发生在吸力面，随着含气率的增大逐渐扩张，加剧气液两相失衡过程。泵在运行过程中应尽量避免高含气率的工况长时间工作。（3）随着入口含气率的增加，进出口压差降低，压降增大，泵的做功能力降低。参考文献 参考文献 1 王彦军.基于ANSYS CFD的离心泵内部湍流数值模拟分析J.机电工程技术,2021,50(02):27-29+60.2 汪正阳,刘小兵,田长安,等.大型双吸式离心泵内流场空化特性数值模拟分析J.水电能源科学,2020,38(02):172-175.3 刘媛媛,王维军,李泰龙.基于开缝引射流的离心泵空化流动研究J.风机技术,2019,61(06):18-22.4 罗兴锜,闫思娜,冯建军,等.气液两相离心泵受力特性分析J.农业工程学报,2019,35(23):66-72.5 牟介刚,章子成,谷云庆,等.圆形非光滑表面叶片对离心泵空化特性的影响J.上海交通大学学报,2020,54(06):577-583.6 曹玉良,贺国,明廷锋,等.水泵空化数值模拟研究进展J.武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2016,40(01):55-59+65.7 刘春哲,王国光,尹光志,等.离心泵非定常空化流动特性的数值研究J.流体机械,2019,47(07):39-43+26.8 高豪,王彦伟.气-液两相条件下叶轮开孔对高速离心泵的影响J.武汉工程大学学报,2020,42(06):683-687.