旋涡泵进口含气量和叶片数对泵内流场和性能的影响分析_张人会.pdf

书书书文章编号：-（）-旋涡泵进口含气量和叶片数对泵内流场和性能的影响分析张人会*，段鹏，杨伟峰（兰州理工大学 能源与动力工程学院，甘肃 兰州 ；兰州理工大学 甘肃省流体机械及系统重点实验室，甘肃 兰州 ）摘要：为分析旋涡泵气液混输时进口含气量和叶片数对泵内流场和外特性的影响机理，通过数值计算，对不同进口含气量（、）和不同叶片数（、）时旋涡泵内流场和外特性进行对比分析结果表明：旋涡泵的扬程和效率随着进口含气量的增大而减小，扬程从 减小到 ，效率从 减小到 ；在各纵向截面上侧流道内压力大于叶轮流道内压力，从叶轮进口到出口沿圆周方向，各纵向截面内叶轮与壳体的最大压差逐渐增大；纵向截面上气液分离现象越来越严重，叶轮内气体体积分数逐渐增大，而侧流道内气体体积分数逐渐减小，叶轮轮毂处气相聚集越来越严重；随着叶片数的增加，旋涡泵的扬程和效率均呈先增后减的趋势；随着进口含气量的增大，旋涡泵的性能随叶片数变化的敏感度先增后减关键词：旋涡泵；气液混输；气液两相流；叶片数中图分类号：文献标志码：I n f l u e n c e a n a l y s i s o f i n l e t g a s v o l u m e f r a c t i o na n db l a d en u m b e r o f v o r t e xp u m po n i ts i n n e r f l o wf i e l da n dh y d r a u l i cp e r f o r m a n c e -，-（，；，）A b s t r a c t：-q -，（，）（，），-q -，-，K e yw o r d s：；q ；-q ；收稿日期：-基金项目：国家自然科学基金（），甘肃省重点研发计划项目（）通讯作者：张人会（-），男，江西九江人，博士，教授，博导 ：第 卷第期 年月兰州理工大学学报 旋涡泵属于小流量、高扬程的径向叶片泵，其结构简单紧凑，比转速一般低于，通常具有较强的自吸能力和气液混输性能，多被用于输送含易挥发的液体和汽化压力很高的高温介质-，部分多级旋涡泵甚至可以输送介质含气量高达 旋涡泵内复杂的流动结构及其特殊的性能优势引起流体机械领域学者的高度关注，近年来涌现出大量的相关研究 等-、等-和 等 分别在纯水条件下就旋涡泵内部流场结构、叶轮和侧流道几何参数对旋涡结构和性能的影响进行了一系列研究对于旋涡泵气液混输的研究，金玉珍等 应用欧拉公式建立了小流量高扬程离心旋涡泵气液混输扬程的计算公式 等 和谢鹏等 采用诱导轮、复合离心叶轮和开式旋涡叶轮串联组合成离心旋涡泵并开展气液混输气蚀研究，发现随着含气量的增大气蚀性能逐渐降低 等 通过数值模拟和实验结果分析得出旋涡泵流道中气体主要分布在叶片的压力侧，随着含气量的增大气体在叶片压力侧的聚集程度增加 等 研究了在作为真空泵输送气体时不同叶片形状旋涡泵的压气性能 等 -通过实验研究了旋涡泵气液混输的性能表现和不同叶片吸力角对于泵性能的影响，并应用 模型对旋涡泵气液混输进行了数值模拟，研究不同进口气体体积分数下旋涡泵的气相分布和迁移陈轲等 对旋涡泵气液混输的内部压力脉动特性进行了分析虽然上述研究就旋涡泵气液混输时内部流场结构和几何参数对流场性能的影响等方面做了大量工作，但对旋涡泵不同含气量下内部气液两相流场结构的分析尚不够透彻，叶片数对旋涡泵气液混输性能影响机理也尚不清楚因此，本文提出对不同进口含气量（）下旋涡泵内气液两相流场及其性能影响进行分析，同时研究叶片数对气液混输性能的影响 研究对象和研究方法 研究对象以课题组前期设计的 -型旋涡泵为研究对象，进行数值模拟和实验测试主要参数为流量Q ，转速n ，叶片数Z ，叶轮内径D ，叶轮外径D ，叶片宽度b ，轴向间隙 ，径向间隙 ，侧流道半圆半径r 旋涡泵计算域主要包括进口管、进口、叶轮、侧流道、出水段、出口管，如图所示为实现自吸和气液混输能力，选用开式叶轮、闭式流道方案为便于图 旋涡泵计算域F i g C o m p u t a t i o n a l d o m a i no f v o r t e xp u m p多级旋涡泵的结构设计，流道采用单侧边流道，进、出口分别置于叶轮的两侧 旋涡泵内流场的数值模拟 网格划分网格划分对数值计算有着重要影响，本文采用 -软件对旋涡泵各计算域进行网格划分对进口管、进口、叶轮、出水段、出口管等区域采用六面体结构化网格划分，以此来加快收敛速度和提高计算精度由于侧流道结构复杂，所以对其采用适应性更强的四面体网格进行划分另外，根据流体流动情况，对壁面等局部位置进行加密，进而实现精准捕捉流态网格无关性分析如图所示当网格数达到 万个以上，扬程趋于稳定最终经无关性检查，充分考虑计算资源和计算精度，确定当网格数为 万个左右时进行数值模拟计算旋涡泵主要部件叶轮和侧流道的网格如图所示图 网格无关性检验F i g G r i d i n d e p e n d e n c e t e s t 数值计算模型本文使用 软件求解基于质量守恒定律的不可压缩流体控制方程在旋涡泵气液混输中，叶轮高速旋转作用使得气体为泡状流假定进口气液两相分布均匀，气液两相流模型采用欧拉双流体模型，并考虑相间作用力的影响湍流模型采用 k-模型边界条件设为速度进口和压力出口，第期张人会等：旋涡泵进口含气量和叶片数对泵内流场和性能的影响分析 图 网格划分F i g M e s hb u i l d i n g进口设置气体体积分数，出口压力根据实验值设定非稳态计算基于稳态计算结果，以叶轮每旋转 为个时间步长非定常 计 算 的 时 间 步 长t ，叶轮共计旋转圈，总时间t ，取稳定后的结果进行分析 旋涡泵实验装置为验证数值模拟的准确性，搭建旋涡泵内流场和外特性实验台，如图所示实验系统为闭式系统，由进口管路、出口管路、储水罐和实验泵组成进口管路上安装有闸阀、真空表、金属软管，出口管路上安装有涡轮流量计（-型、精度 ）、压力表、调节阀等，进口管路的真空表和出口管路的压力表测量精度均为 级旋涡泵由四极电机驱动，泵轴功率由控制柜电测法得到图 旋涡泵实验系统F i g E x p e r i m e n t a l s y s t e mo f v o r t e xp u m p 不同含气量下旋涡泵内流场和气液混输性能 水力性能分析图是Z 时旋涡泵在种不同流量工况下实验和数值模拟的扬程、效率曲线可以看出：数值模拟结果与实验结果比较接近，总体趋势基本一图 旋涡泵数值模拟和实验性能曲线F i g P e r f o r m a n c ec u r v eo fn u m e r i c a l a n de x p e r i m e n t a lo f v o r t e xp u m p致，模拟效率值大于实验效率值；扬程随着流量的增大而减小，效率随着流量的增大先增后减，额定流量工况为最大效率点本文对额定流量下不同进口含气量（、和 ）的旋涡泵内气液两相流动进行了模拟，为减小计算量暂不考虑叶顶间隙泄漏量，计算所得扬程和效率曲线如图所示可以看出：随着进口含气量增大，扬程和效率减小；当进口含气量从增大到 时，旋涡泵的性能呈减弱的趋势（扬程、效率分别减小 、）；而随着进口含气量的继续增大，性能减弱的趋势变缓；当进口含气量从 增大到 时，扬程减小，效率减小 图 不同含气量下旋涡泵性能曲线F i g P e r f o r m a n c ec u r v eo fv o r t e xp u m pw i t hd i f f e r e n tI G V F 不同含气量下泵内相态分布图是Z 时叶轮中间截面的相态分布图可以看出：不同进口含气量下叶轮中间截面气相分布规律基本一致；气体体积分数从叶轮进口到出口沿圆周方向逐渐增大，在每个叶轮流道内形成个气相聚集区，分别位于靠近轮毂处和靠近叶轮外缘处，且靠近轮毂处的气相聚集要比叶轮外缘处严重；随着进口含气量增大，叶轮内平均气体体积分数逐渐增大兰州理工大学学报 第 卷图 不同进口含气量下叶轮中间截面的相态分布F i g T h ep h a s ed i s t r i b u t i o no ft h ei m p e l l e rm e r i d i a np l a n ew i t hd i f f e r e n t I G V F为分析不同圆周位置轴面的相态分布，取叶轮和侧流道圆周方向的个截面进行对比分析，截面位置如图所示图是进口含气量为 时，截面的气相分布可以看出：截面在进口流体的作用下，气体主要集中在侧流道以及叶片顶部和根部；随着叶轮旋转，、截面的流动逐渐趋于稳定，气液分离越来越严重，流道内气体体积分数逐渐减小，在叶轮轮毂处气相聚集越来越严重图 截面AD示意图F i g D i a g r a mo f s e c t i o nAt oD图 I G V F为 时截面AD的相态分布F i g T h ep h a s ed i s t r i b u t i o no ft h es e c t i o nAt os e c t i o nDw h e n I G V F i s 不同含气量下流道压力分布图 是Z 时在不同进口含气量下叶轮中间截面的压力分布图可以看出：整个截面的压力分布规律基本一致，从进口到出口各叶轮流道内压力逐渐增大，沿径向方向轮缘压力大于轮毂，叶片压力面压力大于吸力面；随着进口含气量增大，进口压力不断增大，这是因为流场计算时设出口压力恒定，而进口压力逐渐增大使得扬程逐渐减小图 不同进口含气量下叶轮中间截面的压力分布F i g T h ep r e s s u r e d i s t r i b u t i o n o f t h e i m p e l l e rm e r i d i a np l a n ew i t hd i f f e r e n t I G V F图 是 为 时不同周向位置纵向截面的压力分布可以看出：随着叶轮旋转，从进口到出口纵向截面的平均压力逐渐增大，且侧流道内压力整体要大于叶轮内压力，气相聚集区主要发生在叶轮内靠近轮毂的低压区；从进口到出口，侧流道内最高压力与叶轮内最低压力的压差从 逐渐增大到 ，叶轮内气相聚集越来越严重，侧流道内气相体积分数越来越小，如图所示图 截面AD的压力分布F i g T h ep r e s s u r e d i s t r i b u t i o no f t h e s e c t i o nAt o s e c-t i o nD图 是在不同进口含气量下叶轮流道平均压能增量沿周向的变化曲线可以看出：随着进口含气量增大，曲线逐渐变得平缓，叶片做功能力减弱；前个叶轮流道为泵的进口区域，流道内平均压力基本不变；从第流道开始，随着流道数的增加压能线第期张人会等：旋涡泵进口含气量和叶片数对泵内流场和性能的影响分析 图 不同含气量叶轮流道平均压能变化图F i g P r e s s u r e e n e r g y o f i m p e l l e r c h a n n e l w i t hd i f f e r e n tI G V F性递增，压能随着进入叶轮次数的增加而增加，到达出口区域后压能基本稳定 纵向截面速度分析为分析纵向截面内速度场的分布规律，本文选择流动发展较为稳定的截面，分析该截面的速度流线，如图 所示可以看出：在叶轮与侧流道之间有明显的纵向旋涡；流体从进口流入叶轮后，在叶轮与侧流道内流速的差异导致惯性力不平衡；叶轮内流体在离心力的作用下，从叶轮流道较大半径处流入侧流道，与侧流道内低能量流体进行动量交换，并把能量传递给低能量流体图 不同进口含气量下截面C相对速度云图和流线图F i g V e l o c i t y a n d v e l o c i t y s t r e a m l i n e s o f s e c t i o nCw i t hd i f f e r e n t I G V F由于叶轮内流速为相对流，所以在叶轮与流道交界面上速度不连续在侧流道顶部和叶轮外缘区域有高速区，随着含气量增大，该高速区略微减小，但整体上速度场分布规律受含气量的影响较小进一步分析该截面的涡量分布，如图 所示可以看出，整体上涡量分布规律随含气量的增大变化微小截面上涡量分布规律复杂，主要有类（、）涡结构：侧流道的涡量主要是纵向旋涡；叶轮进口冲击引进的径向旋涡为叶轮内旋涡；叶轮内轴向旋涡为旋涡结构，与图 所示的叶轮内轴向旋涡结构相对应，包括叶轮轮缘和轮毂个旋涡结构图 不同进口含气量下截面C涡量图F i g V o r t i c i t yo f s e c t i o nCw i t hd i f f e r e n t I G V F图 I G V F为 时叶轮截面流线图F i g V e l o c i t y s t r e a m l i n e s o f t h e i m p e l l e rp l a n ew h e nI G V F i s 叶片数对旋涡泵气液混输的影响 叶片数对水力性能的影响为分析叶片数对旋涡泵气液混输的影响，对不同叶片数（、）的旋涡泵进行数值计算，所得性能曲线如图 所示可以看出：随着进口含气量增大，不同叶片数旋涡泵的扬程、效率逐渐减小；而在相同的进口含气量时，随着叶片数增加，旋涡泵的性能呈现先增后减的趋势；当叶片数Z 时，旋涡泵的扬程和效率达到最大；随着叶片数继续增加，扬程和效率都逐渐减小由图 还可以看出，进口含气量 为、时，旋涡泵的扬程和效率随着叶片数变化的敏感度大于 为 和 时因此，随着进口含气量逐渐增大，旋涡泵的性能随叶片数变化的敏感度先增后减 不同叶片数下泵内流场分析分析 为 时叶片数对旋涡泵气液混输的影响，不同叶片数的叶轮中间截面相态分布如图 所示可以看出：种不同叶片数的叶轮中间截面气相分布规律基本一致；气体体积分数从叶轮进口到出口沿圆周方向逐渐增大，随着叶片数增加，叶轮内气体体积分数先增后减，在叶片数Z 时兰州理工大学学报 第 卷图 不同叶片数和I G V F时旋涡泵水力性能F i g H y d r a u l i cp e r f o r m a n c e o f v o r t e xp u m pw i t hd i f f e r e n t b l a d en u m b e r a n d I G V F图 I G V F为 时不同叶片数叶轮中间截面的相态分布F i g T h ep h a s ed i s t r i b u t i o no ft h ei m p e l l e rm e r i d i a np l a n ew i t hd i f f e r e n t b l a d en u m b e rw h e nI G V F i s 达到最大图 是不同叶片数的旋涡泵在进口含气量为 时截面的压力分布可以看出，不同叶片数的旋涡泵在截面的压力分布规律基本一致，侧流道内压力整体大于叶轮内压力，侧流道的最大压力随着叶片数的增加先减后增由于流场计算时设出口压力恒定，所以泵的扬程随着叶片数的增加先增后减图 是不同叶片数的叶轮流道平均压能增量沿周向的变化曲线可以看出，不同叶片数的旋涡泵叶轮随着流道数的增加压能线性递增，随着叶片数图 I G V F为 时截面C的压力分布F i g T h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fs e c t i o nCw h e nI G V F i s 图 不同叶片数叶轮流道平均压能变化图F i g P r e s s u r e e n e r g y o f i m p e l l e r c h a n n e l w i t hd i f f e r e n tb l a d en u m b e r的增加曲线逐渐平缓，叶片做功能力减弱由于叶轮叶片数不一样，所以图 中不同叶轮的横坐标对应的角度位置不一样为便于对比，将横坐标进行无量纲化统一为相对位置n，即叶轮流道序号与叶片数的比值，如图 所示可以看出，随着叶片数增加，泵的扬程先增后减，Z 时旋涡泵的扬程略高于Z 时的在恒定进口含气量下，不同叶片数的旋涡泵截面的涡量分布如图 所示可以看出，整体涡量分布随叶片数的增加变化不大图中虚线区域涡结构为纵向旋涡，随着叶片数增加，虽然介质获得能量的次数增多，但同时叶轮流道堵塞程度逐渐加剧，纵向旋涡阻力逐渐增大，旋涡强度降低，叶轮流道做功第期张人会等：旋涡泵进口含气量和叶片数对泵内流场和性能的影响分析 图 I G V F为 时截面C涡量图F i g V o r t i c i t yo f s e c t i o nCw h e n I G V F i s 能力减弱综合考虑得出，随着叶片数的增加旋涡泵的扬程先增后减 结论）随着进口含气量的增大，叶片做功能力减弱，旋涡泵的扬程从 减小到 ，效率从 减小到 在各纵向截面上侧流道内压力大于叶轮内压力，从叶轮进口到出口沿圆周方向，各纵向截面内叶轮与侧流道的最大压差逐渐增大；纵向截面的气液分离现象越来越严重，叶轮内气体体积分数逐渐增大，而侧流道内气体体积分数逐渐减小，在叶轮轮毂处气相聚集越来越严重）在纵向截面上涡量结构主要包括纵向旋涡、径向旋涡和轴向旋涡，并且涡量分布特征随进口含气量的增大变化微小）随着叶片数增加，旋涡泵的扬程和效率均呈先增后减的趋势；随着进口含气量增大，旋涡泵的性能随叶片数变化的敏感度先增后减；叶片数的增加虽然使介质获得能量的次数增多，但同时纵向旋涡阻力逐渐增大，旋涡强度降低，叶轮流道做功能力减弱参考文献：贾宗谟旋涡泵 液环泵 射流泵 北京：机械工业出版社，张人会，程效锐，杨军虎特殊泵的理论及设计 北京：中国水利水电出版社，张帆，裴吉，等侧流道泵研究现状及发展趋势 排灌机械工程学报，（）：，e t a l -，（）：，e t a l -，（）：，e t a l -，（）：-，e ta l -，（）：，e ta l ，：-，-，：，（）：，-，（）：，e ta l ，（）：-金玉珍，谢鹏，胡旭东小流量高扬程离心旋涡泵气液混输扬程的分析 浙江理工大学学报（自然科学版），（）：-，e t a l -q -，（）：-谢鹏，朱祖超低比转速离心旋涡泵的气液混输汽蚀试验分析 水利学报，（）：-，e ta l -q -，（）：-，（）：-，-q -，：，（）：-，e ta l -q -：，（）：-陈轲，张帆，洪锋，等气液混输下侧流道泵内压力脉动特性研究 振动与冲击，（）：-兰州理工大学学报 第 卷