一種新型液體輸送泵的輸送性能模擬

俞翼翔，謝 令，唐黎明，陳光明

（浙江大學(xué)制冷與低溫研究所，浙江省制冷與低溫技術(shù)重點實驗室，浙江杭州 310027）

1 前言

泵是一種以輸送流體或使液體增壓為目的的機(jī)械，是一種以液體為工作介質(zhì)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的裝置。泵作為通用機(jī)械之一，在日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、電力、船舶、紡織、國防等部門中發(fā)揮著重要作用［1］。根據(jù)美國太平洋西北國家實驗室的調(diào)查，當(dāng)前泵系統(tǒng)耗電量大約為全球工業(yè)總用電量的20%［2］。和國外相比，我國自行生產(chǎn)的泵類產(chǎn)品效率平均低3%～5%［3］。在能源危機(jī)日益嚴(yán)峻，節(jié)能減排勢在必行的大環(huán)境下，泵的節(jié)能研究至關(guān)重要。

近年來，國內(nèi)外專家為了改善泵的節(jié)能性能提出了諸多新型泵結(jié)構(gòu)并在此基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)，但是取得的效果并不是很突出［4～7］。浙江大學(xué)制冷與低溫研究所提出了一種新型的液體輸送泵，該輸送泵通過高低配盤以及轉(zhuǎn)子實現(xiàn)液體從低壓區(qū)輸送到高壓區(qū)的目的［8］。本文運用CFD對這種新型液體輸送泵進(jìn)行建模研究，模擬測試新型液體輸送泵的一些基本性能，對新型液體輸送泵的試驗研究以及結(jié)構(gòu)改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)意義。

2 新型液體輸送泵介紹

本文所提出的新型液體輸送泵的工作原理如圖1所示。

圖1 新型液體輸送泵工作原理示意

該液體輸送泵泵體主要分為3部分：與低壓腔相連的低壓區(qū)、轉(zhuǎn)子通道、與高壓腔相連的高壓區(qū)。其中，轉(zhuǎn)子通道同時起著周期性隔離高低壓腔壓力和間歇性平衡高低壓腔壓力的作用，同時實現(xiàn)液體的輸送。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，會交替與高低壓腔對接。首先，低壓液體通過低壓進(jìn)液管進(jìn)入低壓腔；當(dāng)轉(zhuǎn)子與低壓腔對接時，轉(zhuǎn)子內(nèi)的氣體壓力與低壓腔的壓力進(jìn)行平衡，低壓腔內(nèi)的液體由于重力作用進(jìn)入轉(zhuǎn)子通道；由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，一定量的液體進(jìn)入轉(zhuǎn)子通道后，轉(zhuǎn)子離開與低壓腔對接的位置并與低壓腔隔離后逐漸與高壓腔對接，轉(zhuǎn)子內(nèi)壓力逐漸與高壓腔內(nèi)的壓力平衡，轉(zhuǎn)子內(nèi)的液體通過重力自由下落至高壓腔內(nèi)；高壓腔內(nèi)的液體通過高壓出液口流入高壓儲液罐。此為新型液體輸送泵的一個工作循環(huán)，實現(xiàn)了液體從低壓輸送到高壓的目的。

這種新型液體輸送泵的輸送原理與傳統(tǒng)液體輸送泵最大的不同在于傳統(tǒng)液體輸送泵是通過對液體加壓來實現(xiàn)液體從低壓到高壓的輸送，新型液體輸送泵主要是通過液體的重力實現(xiàn)低壓到高壓的輸送。但是新型液體輸送泵需要一個外接的高壓源。相比電能，高壓源更為廉價，可以通過低品位熱能得到，因此這種泵的原理十分值得關(guān)注。

傳統(tǒng)液體輸送泵對液體加壓的過程消耗電能巨大，而新型液體輸送泵的主要耗能在于轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)耗能，只需克服轉(zhuǎn)子與高/低配盤之間的摩擦阻力，與傳統(tǒng)液體輸送泵耗能相比較，所需的電能更少，因此新型液體輸送泵擁有較大的節(jié)能潛力。

3 CFD模型建立

CFD計算具有適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用面廣等優(yōu)點，又由于其很大程度上不受物理模型和試驗?zāi)Ｐ偷南拗?，CFD計算現(xiàn)在越來越成為預(yù)測和指導(dǎo)試驗的重要手段。由于本液體輸送泵屬于一種新型的泵形式，在研究過程中結(jié)合CFD計算來優(yōu)化結(jié)構(gòu)以及指導(dǎo)試驗方面具有較大的價值。

本文中的CFD計算采用SolidWorks進(jìn)行建模，導(dǎo)入DM，運用ICEM的O型塊劃分全六面體網(wǎng)格，最后導(dǎo)入Fluent計算分析。本文模擬的過程中包含轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動問題，因此在模擬過程中涉及動網(wǎng)格的生成，需要采用Fluent中的滑動網(wǎng)格模型。

3.1 模型假設(shè)及幾何結(jié)構(gòu)

為了在建模過程中簡化計算同時對模擬結(jié)果影響不大的情況下，做出如下假設(shè)：

（1）轉(zhuǎn)子通道與低壓配流孔對接后，通道內(nèi)氣體的高壓能夠經(jīng)平衡孔快速平衡，因此可以認(rèn)為液體從低壓配流孔輸送到轉(zhuǎn)子通道中的過程為等壓過程；

（2）轉(zhuǎn)子通道在與高壓配流孔對接的時候，通道內(nèi)液體由于壓力的平衡能夠在自身重力的作用下經(jīng)高壓配流孔完全地進(jìn)入高壓腔內(nèi)，這樣液體輸運能力就取決于轉(zhuǎn)子通道與低壓配流孔的對接過程。

在以上假設(shè)下，建立的3D模型見圖2。

圖2 轉(zhuǎn)子通道和低配盤的3D模型

3.2 控制方程

計算流體力學(xué)的基礎(chǔ)是守恒方程。在輸送流體泵模型中，主要包含質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程以及動量守恒方程，其方程形式如下所示：

式中 ρ——流體密度

u,v,w——流體在x,y,z方向上的速度

式中 p——靜壓

τij——應(yīng)力張量

ρgi，F(xiàn)i——i方向上重力及外部體積力

式中 keef——有效導(dǎo)熱系數(shù)

Jj——組分j的擴(kuò)散流量

Sh——化學(xué)反應(yīng)熱以及其他體積熱源項

3.3 邊界條件及計算參數(shù)

模擬過程中采用的邊界條件以及計算參數(shù)介紹如下：

（1）模擬中輸送的液體選用水，高壓氣體選用空氣，水和空氣之間的表面張力取0.072 n/m［9］。

（2）低壓配流孔和平衡孔上表面分別與低壓儲液罐的上下相連，因此壓力為低壓壓力值且數(shù)值保持不變，設(shè)此為壓力入口邊界；低壓配流孔和平衡孔下表面在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中與轉(zhuǎn)子通道的上表面對接，實現(xiàn)氣液交換，這3個表面皆為interface邊界，其他表面均設(shè)為wall邊界。

（3）初始狀態(tài)下，低壓配流孔、平衡孔、轉(zhuǎn)子通道壓力平衡，都為低壓壓力值，低壓配流孔充滿液體，轉(zhuǎn)子通道以及平衡孔內(nèi)充滿氣體。

（4）壓力采用PRESTO離散格式，動量采用二階迎風(fēng)格式、體積分?jǐn)?shù)則采用一階迎風(fēng)格式。

（5）質(zhì)量、速度、動量及體積分?jǐn)?shù)的收斂殘差判別依據(jù)設(shè)為10-3。

4 模擬結(jié)果分析與討論

根據(jù)本文以上模型，得出了對接時間對輸送液體質(zhì)量的影響、轉(zhuǎn)子材料（親水性、疏水性）對輸送液體質(zhì)量的影響以及圓形和扇形兩種通道形式對輸送液體的影響。

4.1 輸送液體質(zhì)量隨對接時間的影響

圓形通道轉(zhuǎn)速為85 r/min時的對接過程中，液體輸送質(zhì)量隨時間的變化曲線如圖3所示。

圖3 輸送液體質(zhì)量隨對接時間的影響

模擬結(jié)果顯示，當(dāng)轉(zhuǎn)子通道與低配盤通孔剛開始對接時，液體并沒有直接進(jìn)入到轉(zhuǎn)子通道中，這是由于液體與通道之間存在表面張力，同時，液體重力并不能完全克服表面張力，形成液塞現(xiàn)象，因此，轉(zhuǎn)子內(nèi)的液體流量為零。隨著對接時間增長，對接面積逐漸增大，重力的影響逐漸超過了表面張力，液體逐漸流入通道，并且存在一個加速流入的過程。當(dāng)轉(zhuǎn)子通道與低配盤通孔完全對接時，液體流量達(dá)到最大值，之后隨之縮小，直至為零。

由于液體輸送過程中存在液塞現(xiàn)象，因此轉(zhuǎn)子通道的尺寸有一個最小半徑，當(dāng)轉(zhuǎn)子通道半徑小于這個最小半徑時，無法實現(xiàn)液體的輸送。

4.2 同一通道形式下轉(zhuǎn)子材料對輸送流體質(zhì)量的影響

氣液交換過程起始和結(jié)束時會存在一個液塞過程，主要是由于表面張力引起的，而不同材料的轉(zhuǎn)子，表面張力不同，因此不同材料對液體輸送的影響不同。在模擬計算中，轉(zhuǎn)子材料對輸送流體質(zhì)量的影響，主要是通過改變轉(zhuǎn)子表面接觸角（模擬中采用30°和120°），觀察對接過程，得出轉(zhuǎn)子輸送液體質(zhì)量隨時間的變化。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為100 r/min時的結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同材料圓形通道轉(zhuǎn)子輸送液體質(zhì)量隨時間變化

轉(zhuǎn)子材料的不同（親水與疏水）影響的主要是實現(xiàn)汽液交換與對接過程的時間差（液塞時間長短）。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，親水轉(zhuǎn)子的氣液交換時間要早于疏水材料的氣液交換過程。在圖中呈現(xiàn)的結(jié)果就是疏水材料與親水材料相比，克服摩擦阻力所需的時間更長。由于對接總時長相一致，親水材料總液體輸運量相較疏水材料也更多。扇形結(jié)構(gòu)有類似規(guī)律。

4.3 不同通道形式對輸送流體質(zhì)量的影響

在此次模擬中，選用的通道形式有扇形和圓形2種，不同轉(zhuǎn)子通道形式對輸送液體質(zhì)量的影響見圖5。

圖5 不同通道形式對輸送液體質(zhì)量的影響

在轉(zhuǎn)速較低時，扇形和圓形通道的流體輸送量基本一致，可以認(rèn)為在轉(zhuǎn)速較低時，通道的對接時間足夠長，從而可以忽略扇形通道和圓形通道不同通道形式之間對接時間的影響。而當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到一定程度后，對接時間的長短會對流體流量造成較大影響，而扇形通道的無流量運輸對接時間（液塞時間）比圓形短，因此，在一定的轉(zhuǎn)速后，扇形通道對液體的輸送量要大于圓形。同時每種通道形式達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，每個對接過程時間過短，無法使得通道得到全部有效利用，因此流量輸運達(dá)到一個極值后下降。因此每種通道形式均存在一個最佳轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速達(dá)到最佳前，由于通道均得到全部利用，隨著轉(zhuǎn)速增加，流量幾乎呈線性增長；轉(zhuǎn)速大于最佳轉(zhuǎn)速后，繼續(xù)增大轉(zhuǎn)速，輸送的液體流量反而減小。

5 結(jié)論

（1）液體輸送周期始末存在一個明顯的克服表面張力的過程，在這個過程中，液體輸送量基本為0，而在克服表面張力之后會有一個明顯加速下流以及一個減速下流的過程。

（2）輸送的液體與轉(zhuǎn)子材料的接觸角對液體輸送有一定的影響，表現(xiàn)在對接過程中克服表明張力所需時間的長短，一般接觸角大于90°（相親）的材料液體輸送性能優(yōu)于接觸角小于90°（相疏）。

（3）新型液體輸送泵轉(zhuǎn)子通道形式對于液體輸送質(zhì)量具有十分重要的作用，同樣的轉(zhuǎn)子半徑下，扇形通道與其他形狀的通道形式相比，具有最優(yōu)的液體輸送效率。

［1］ 國家經(jīng)貿(mào)委資源節(jié)約綜合利用司.關(guān)于風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能改造的主要思路［J］.電子節(jié)能,1998(3)：5-6.

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