低比转速离心泵叶轮内三维流场PIV试验及数值仿真.pdf

2023年第3期16小原楼术低比转速离心泵叶轮内三维流场PIV试验及数值仿真*芦洪钟朱强牛茂升（上海凯泉泵业（集团）有限公司，上海201801)摘要：为研究低比转速离心泵内部流场分布情况，借助于PIV试验，结合数值仿真方法对一台叶轮直径为1 8 7 mm、比转速为7 0 的离心泵叶轮通道流场进行了测量及数值模拟计算。为对比不同流模型计算结果的可信度，分别采用Standardk8模型、RNGk-模型、SSTk-模型进行计算，并将流场计算结果与PIV试验结果进行了对比。研究结果表明：在小流量工况下，叶轮通道内速度分布较不均匀，在通道后半区域靠近叶片工作面存在明显的低速区，叶片背面的中前部区域附近出现高速区；随着流量增大，叶轮通道内部速度分布渐趋均匀，水流出口角增加。三个端流模型计算结果与试验结果吻合较好，尤其是对低速区的模拟较好。对比三个不同的端流模型，在小流量工况及设计流量工况下，RNGk一模型计算结果与试验值更为接近；在大流量工况下，Standardk-模型计算结果与试验值吻合更好。对比离心泵整体性能表现，扬程、效率计算结果均远高于试验测量值。关键词：低比转速离心泵叶轮内部流场PIV测量数值仿真中图分类号：TH311文献标识码：A通常，比转速n。=30 8 0 的离心泵称为低比转速离心泵 ，低比转速离心泵具有流量小、扬程高的特点，在能源动力、石油化工领域有着广泛应用 2-3离心泵叶轮内部的真实流场是复杂的三维非定常粘性湍流，尤其是低比转速离心泵，在水泵运行过程中，叶轮通道内常出现回流、轴向旋涡、流动分离及射流尾迹等现象，因此常规试验方法难以对叶轮内部流动进行测量。粒子图像测速（Particle ImageVelocimetry，PIV）技术是基于拉格朗日质点运动研究流体运动的非接触式瞬态测试技术，因其测试精度高，已成为研究离心泵内流场的先进测试方法 4-1 。目前，国内外相关研究人员通过试验测量与数值计算相结合的方法对离心泵内部流动机理作了较深入、系统的研究；张淑佳等 8 采用三种k涡粘端流模型对IS80-65-160离心泵进行定常数值计算，研究表明三种流模型均可用于离心泵内流场计算，Realizablek-模型计算结果与试验吻合较好；刘梅清等 9 基于Fluent软件选用四种湍流*基金项目：上海市科研计划项目（1 8 PJ1431900）模型对双吸泵内部流场进行数值模拟，提出不同流模型均能够对双吸离心泵进行稳态数值模拟，但模拟精度差别较大；胡良波等 1 0 分别选用雷诺时均法、大涡模拟法及分离涡模拟法对多级离心泵内流场进行数值计算，总结出大涡模拟与分离涡模拟计算结果均能满足多级泵计算精度要求；任芸等 1 选用五种两方程流模型分别对5个不同比转速优秀水力模型在非设计工况下进行数值计算，结果表明不同瑞流模型计算出的涡量分布规律较类似，但流强度结构变化较大。本文先借助于PIV手段对三个不同流量工况下低比转速离心泵叶轮内部三维流场分布进行了详尽的测量，然后采用standardk-、R NG k-8、S S Tk-流模型进行数值模拟计算，最后将不同流模型的计算结果与PIV试验结果进行对比分析，验证数值计算的有效性及不同湍流模型对于低比转速离心泵内部三维流场的适用性。1物理模型与计算方法1.1物理模型模型泵设计参数：流量Q=20m/h、扬程H2023年第3期17小原技术=10m，转速n=1450r/min，比转速n。=7 0。叶轮结构参数：叶轮进口直径D,=75mm，叶轮出口直径Dz=187mm，叶片数Z=5。水泵叶轮、蜗壳材质为有机玻璃，其中叶片采用圆弧法设计，蜗壳采用等速度矩法设计，各个断面为矩形断面，型线采用对数螺旋线。叶轮前盖板、蜗壳与进水管密封垫涂黑，消减壁面反光造成的试验误差。1.2网格划分目前，结构化网格划分是求解不规则区域流动问题的一种重要网格划分方法，具有精度高、收敛性好、计算时间短、易捕捉流场微观特征等优点，在旋转机械CFD领域应用广泛。因此，计算模型均采用六面体结构网格，网格单元总数为49 7 万，如图1 所示。其中，叶轮叶片近壁面采用外0 型拓扑控制近壁面边界层网格质量，保证网格单元正交性，为保证Y+10，在叶片近壁面布置1 0 层边界层网格，第一层网格节点与壁面间距为0.0 0 5mm。1.3数值计算方法将不可压缩流体连续性方程及基于Boussinesq涡团黏性假设的雷诺时均N-S方程作为端流计算基本控制方程 1 2（a）叶轮与蜗壳网格（b）叶片前缘网格图1计算模型六面体网格进口边界条件采用总压进口，出口边界条件采用质量流出口。叶轮设为旋转部件，进水管与蜗壳设为静止部件，壁面均设为无滑移固定壁面，动静区域耦合计算采用多重参考坐标系（multiplerefer-ence frame)，计算收敛精度1 0*s。流模型分别采用Standardk-8、R NG k-8、SST k-w进行计算。2试验系统与测量装置2.1PIV装置离心泵测速装置采用美国TSI公司商用PIV测速系统，主要包括：脉冲激光器（2 0 0 mJ/脉冲），脉冲持续时间5nsl13)、CCD 相机（分辨率为2 0 48 2048）、同步控制器（将触发信号分别传给同步触发控制器主机与光纤转换器）、图像采集与分析软件Insight-3G、导光臂及片光源透镜组、标定靶盘等。示踪粒子为空心微玻璃球（粒径1 0 m）。2.2数据采集与处理利用同步控制器对叶轮相对位置进行锁相，从而保证每次拍摄为同一位置。同一运行工况下计算机采集1 0 0 对原始粒子图像，并采用互相关技术对每对图像进行处理及修正，然后将处理好的粒子矢量图导人Tecplot软件进行平均计算，最后通过速度分解软件获取叶轮流道内相对速度 1 4-1 53PIV试验结果分析为获取不同运行工况下离心泵叶轮内的真实流动结构，在0.8 Q、1.0 Q、1.2 Q 三种工况对叶轮内部流场进行PIV试验，如图2 所示。从PIV试验结果可以看出，小流量0.8 Q工况时，叶轮通道后半区域靠近叶片工作面存在明显的低速区。速度最小值出现在叶片弦长40%6 0%区域内，占据约50%通道切向长度范围。同时，在叶片背面的中前部区域附近出现高速区。在设计流量1.0 Q工况下，叶轮通道内速度分布相对较均匀，通道内低速区域明显减小，尤其是在通道切向方向上，仅维持在叶片工作面附近。叶片背面高速区增大，向叶片进口附近扩展。同时，在叶轮出口附近也出现高速区。在大流量1.2 Q工况时，低速区几乎消失，通2023年第3期18小原术Vel Mag6.5-2065.5-4054.5uu/X4-603.532.5-8021.51-1000.5406080100 1201400X/mm(a)0.8Q-20-40uu/X-60-80-100406080100120140X/mm(b)1.00-20-40-60-80406080100120X/mm(c)1.2Q图2叶轮内部流场分布PIV试验测量结果道内流线分布较为均匀，水流出口角增大。叶片进口附近出现大面积高速区。4数值计算结果分析4.1小流量0.8 Q工况图3为小流量0.8 Q工况下叶轮内流场分布计算结果。可以看出，三个湍流模型的计算结果都可以较好地模拟出叶片背面靠近中部的高速区域、叶片工作面大范围低速区。但在小流量工况下，数值计算得出的叶片进口、出口附近的高速区，并未经由PIV试验测出。相较而言，RNGk-模型计算结果与试验值VelNMag3+3m23-302.5(a)standard k-e(b)RNG k-8(c)SST k-图3叶轮内部流场分布计算结果（0.8 Q工况）更为接近，SSTk模型计算速度值略高。4.2设计流量1.0 Q工况图4为设计流量1.0 Q工况下叶轮内流场分布计算结果。可以看出，三个流模型的计算结果对叶片工作面低速区、叶片背面前端高速区、出口高速区都模拟较好，但试验测得的叶片背面后部高速区在数值计算结果中并未出现。在设计流量1.0 Q工况下，依然是RNGk8模型结果与试验值更为接近。4.3大流量1.2 Q工况图5为大流量1.2 Q工况下叶轮内流场分布计算结果。可以看出，三个流模型的计算结果都可以较好地模拟出叶片背面进口附近高速区域、叶片工作面小低速区。但在大流量工况下，数值计算得出的叶片出口附近的高速区，要大于PIV试验测量2023年第3期19.小原术Vel Mag.5343m223-30.555(a)standardk-(b)RNG k-(c)SSTk-图4叶轮内部流场分布计算结果（1.0 Q工况）结果。相较而言，在大流量工况下，Standardk模型计算结果与试验值更为接近。总体来看，在小流量工况及设计流量工况下，RNGk-模型计算结果与试验值更为接近；在大流量工况下，Standardk-模型计算结果与试验值吻合更好。5离心泵整体性能离心泵整体性能试验测量结果与数值计算结果对比，如图6 所示。可以看到，三个湍流模型计算结果相差较小，与试验结果的分布趋势吻合。但各个流量工况下，扬程计算结果均高于试验值1 m以上，最大差距1.5m；效率计算值高于试验值5%6%。这可能是由于叶轮与蜗壳交界面、蜗壳内部流Vel Mag3.55(a)standardk-(b)RNGk-8(c)SST k-图5叶轮内部流场分布计算结果（1.2 Q工况）动更为复杂，计算与试验存在较大偏差引起的 1 6 。6结论借助于PIV测量手段对低比转速离心泵内部流场分别在0.8 Q、1.0 Q、1.2 Q 工况下的分布情况进行了试验测量。同时，分别采用Standard k8、RNGk-8、S S T k-端流模型对试验工况进行了数值分析。最后，将数值计算结果与试验测量结果进行了对比。研究结果表明：在小流量工况下，叶轮通道内速度分布较不均匀，在通道后半区域靠近叶片工作面存在明显的低速区，叶片背面的中前部区域附近出现高速区；在设计流量工况下，叶轮通道内低速区域明显减小，尤其是在通道切向方向上，叶片背面高速区增大，向叶片进口附近扩展，同时，在叶轮出口附近也出现高速区；在大流量工况时，低速区几乎消失，通（收稿日期2023-05-31)（本文编辑陈丽霞）2023年第3期20：小原技术13-O-EXP12-O.k-QR NG k-e-S S T11W/H口109口836912 15 182124Q/(m=/h)(a）扬程曲线807060/H5040-O-EXP-O.k-830A-RNGk-口-S S T203691215 182124Q/(m/h)(b)效率曲线图6离心泵整体性能表现对比道内流线分布较为均匀，水流出口角增大，叶片进口附近出现大面积高速区。三个流模型计算结果与试验结果吻合较好，尤其是对低速区的模拟较好。但在小流量工况、大流量工况下，计算得出的叶轮出口高速区远高于试验测量值。对比三个不同的湍流模型，小流量工况及设计流量工况下，RNGk-模型计算结果与试验值更为接近；大流量工况下，Standardk-模型计算结果与试验值吻合更好。参考文献1 关关醒凡现现代泵理论与设计 M北京：中国宇航出版社，2010.2袁寿其低比速离心泵理论与设计 M北京：机械工业出版社，1 9 9 7.3刘厚林，谈明高，袁寿其离心泵理论扬程的计算 J农业机械学报，2 0 0 6，37（1 2）：8 7-9 0.4】杨华，汤方平，刘超，等离心泵叶轮内二维PIV非定常流动测量 J农业机械学报，2 0 1 1，42（7）：56-6 0.5袁寿其，李亚林，汤跃，等示踪粒子在离心泵内流场跟随性的影响因素分析 J机械工程学报，2 0 1 2，48（2 0）：1 7 7-184.6 EISELEK,ZHANGZ,CASEYMV.Flow analysis in a pumpdiffuser-Partl:LDA and PTV measurements of the unsteady flowJ.Journal of Fluids Engineering，1 9 9 7,1 1 9（4):9 6 8 -977.7任芸，吴登昊，刘厚林，等离心泵内部不稳定流动的PIV测试 J农业机械学报，2 0 1 5，46（2）：46-51.8张淑佳，李贤华，朱宝林，等k-8涡粘流模型用于离心泵数值模拟的适用性 J机械工程学报，2 0 0 9，45（4)：238 242.9】刘梅清，李秋玮，白耀华，等湍流模型在双吸离心泵数值模拟中的适用性分析 J农业机械学报，2 0 1 0，41（S1）：6-9.10胡良波，周邵萍，张浩，等流模型对多级离心泵性能预测的适用性 J流体机械，2 0 1 4，42（1 0）：2 6-31.11任芸，刘厚林，舒敏骅，等湍流模型在离心泵偏工况性能预测中的适用性分析 J流体机械，2 0 1 2，40（1 0）：1 8-22.12陈松山，连松锦，周正富，等三副长短叶片叶轮离心泵的流数值模拟 J扬州大学学报：自然科学版，2 0 1 4，1 7(1):51 55.13 WERNET M P.Development of digital particle imaging velocime-try for use in turbomachinery J.Experiments in Fluids,2000,28(1):97-115.14】刘厚林，杨东升，谈明高，等双叶片离心泵内失速现象的三维PIV分析 J上海交通大学学报，2 0 1 2，46（5）：7 34-739.15施卫东，季磊磊，李伟，等不同流量工况下斜流泵内部流场PIV试验 J农业机械学报，2 0 1 6，47（6）：2 7-33.16刘厚林，谈明高，袁寿其离心泵理论扬程的计算 J农业机械学报，2 0 0 6，37（1 2）：8 7-9 0.