螺旋離心泵內(nèi)不穩(wěn)定漩渦空化對出口壓力的影響

鄧育軒 ，紀(jì)燕飛 ，何立東 ，王靈德

（1.天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司，甘肅蘭州 730050；2.北京化工大學(xué)，北京 100029）

1 前言

空化不僅對定常態(tài)的流體流動產(chǎn)生影響，而且空化還會影響流動的非定常特性或者動態(tài)響應(yīng)特性［1～8］。對動態(tài)響應(yīng)特性的改變會使流動內(nèi)部出現(xiàn)不穩(wěn)定性，這些不穩(wěn)定性有漩渦空化和空化喘振等［9，10］，漩渦空化與壓縮機(jī)中的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象有些相似，空化喘振與壓縮機(jī)喘振有些類似。這些不穩(wěn)定特性會導(dǎo)致流量和壓力的振蕩，從而引起泵以及進(jìn)出口管路的結(jié)構(gòu)破壞［11～13］。

由于螺旋離心泵流道寬闊，螺旋離心泵葉輪區(qū)域發(fā)生的漩渦空化可以得到充分發(fā)展。本文以150×100LN-32型螺旋離心泵為研究對象，應(yīng)用CFD軟件對模型泵內(nèi)的空化流動進(jìn)行數(shù)值計算，分析模型泵內(nèi)部漩渦空化流場氣-液兩相的分布規(guī)律，對充分發(fā)展的漩渦空化發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究，捕捉完整的漩渦空化發(fā)展過程，并對數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行試驗驗證，以期為深入研究漩渦空化及漩渦空化對水力機(jī)械性能的影響提供一定的理論依據(jù)。

2 幾何參數(shù)

螺旋離心泵模型如圖1所示，模型螺旋離心泵設(shè)計流量為160 m3/h，轉(zhuǎn)速為1480 r/min，揚程為32 m。葉輪采用半開式葉輪，單葉片，葉片總包角為781°。

圖1 螺旋離心泵模型示意

圖2 螺旋離心泵空化特性曲線

3 數(shù)值模擬

采用Pro/E軟件生成三維計算區(qū)域模型，如圖1所示，模型由動葉輪、靜止蝸殼、進(jìn)口延伸段組成。采用ICEM軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格數(shù)為1203529?？栈Ｐ筒捎胹inghal等提出的完全空化模型［14］。輸送介質(zhì)為25℃的清水，25℃水的汽化壓力為3169 Pa。近壁面處選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壁面邊界條件設(shè)為絕熱無滑移壁面，壁面粗糙度設(shè)為6.3 μm。進(jìn)口邊界條件設(shè)置為總壓進(jìn)口，液相體積分?jǐn)?shù)為1，氣相體積分?jǐn)?shù)為0；出口邊界條件為質(zhì)量流量出口。通過調(diào)節(jié)進(jìn)口壓力改變進(jìn)口的有效汽蝕余量，從而控制泵內(nèi)部空化發(fā)生程度。先不激活空化模型進(jìn)行均質(zhì)兩相流計算，取其結(jié)果作為空化流動計算的初始值，以提高計算的收斂速度和穩(wěn)定性，各收斂殘差設(shè)為10-5。葉輪每旋轉(zhuǎn)3°作為一個時間步長，時間步長為0.0003375 s，計算過程葉輪旋轉(zhuǎn)24個周期，每個旋轉(zhuǎn)周期包含120個時間步，總計時間0.973 s，選取較為穩(wěn)定的后幾個周期的結(jié)果作為采樣對象。

4 空化性能試驗與預(yù)測

在水泵閉式試驗臺上對該型螺旋離心泵進(jìn)行了空化試驗。圖2為模型泵在設(shè)計流量下的空化試驗與數(shù)值模擬空化性能曲線，由圖中可以看出數(shù)值模擬計算值與試驗值的最大誤差為4.69%，計算值與試驗值曲線趨勢一致，說明本文所采用的數(shù)值計算方法能夠較為有效的預(yù)測螺旋離心泵的空化性能。

5 結(jié)果分析

5.1 流道內(nèi)漩渦空化

螺旋離心泵葉輪與蓋板之間存在間隙，由于葉輪工作面的壓力大于背面，在該間隙處會有泄漏二次流產(chǎn)生，該二次流會在間隙附近產(chǎn)生漩渦，由于漩渦中心渦核處的壓力較低，當(dāng)旋渦中心的壓力低于汽化壓力時，就會發(fā)生漩渦空化。

圖3為某時刻螺旋離心泵進(jìn)口汽蝕余量為2.13 m時流道內(nèi)空化區(qū)分布圖，圖中空化區(qū)的邊界為空泡體積分?jǐn)?shù)為0.1的等值面。

圖3 不同包角對應(yīng)的軸面

圖4 所示為軸面a，b，c，d，e和f上的軸面流線與軸面上含氣率大于0.1的空泡區(qū)分布圖，如圖 4（a），4（b）及 4（c）所示，隨著包角的增大，由葉輪輪緣與蓋板間的泄漏二次流動導(dǎo)致的漩渦開始出現(xiàn)并逐漸增大，相應(yīng)的漩渦空化區(qū)逐漸增大；如圖 4（d），4（e）及 4（f）所示，隨著包角的進(jìn)一步增大，由于泄漏二次流動的增強(qiáng)導(dǎo)致流道內(nèi)出現(xiàn)了兩個漩渦區(qū)，相應(yīng)的出現(xiàn)了兩個漩渦空化區(qū)，一個為近輪緣與蓋板間隙處的漩渦空化區(qū)A，另一個為遠(yuǎn)離輪緣與蓋板間隙處的漩渦空化 區(qū)B。

圖4 不同軸面上的流線與含氣率分布

圖5 為一個葉輪轉(zhuǎn)動周期內(nèi)3個連續(xù)時刻流道內(nèi)空泡體積分?jǐn)?shù)為0.1的等值面圖，圖5（a）中空化區(qū)A，B分別為與圖4（d）相對應(yīng)的近輪緣空化區(qū)A、遠(yuǎn)離輪緣空化區(qū)B，空化區(qū)C為遠(yuǎn)離輪緣空化區(qū)的初生狀態(tài)；由圖5可以看出，隨著葉輪的轉(zhuǎn)動，從t1到t3時刻，遠(yuǎn)離葉輪輪緣與蓋板間隙的漩渦空化區(qū)B有一個漩渦空化形成-發(fā)展-分離過程［15，16］。

圖5 不同時刻流道內(nèi)空泡體積分?jǐn)?shù)等值面

5.2 不穩(wěn)定漩渦空化對出口壓力的影響

圖6 為螺旋離心泵在不同工況下連續(xù)4個整周期內(nèi)的泵出口壓力脈動時域圖。由于螺旋離心泵只有一個葉片，在葉片與隔舌的動靜耦合作用下，每個周期泵出口壓力波動為一個完整的正弦曲線。圖6（a）為有效汽蝕余量NPSH為3.05 m時泵出口壓力脈動圖，此時泵葉輪區(qū)域有空化發(fā)生，但沒有出現(xiàn)如圖5所示的流道中部遠(yuǎn)離輪緣的漩渦空化區(qū)B。圖6（b）為有效汽蝕余量NPSH為2.13 m時泵出口壓力脈動圖，由前文可知，該工況下葉輪區(qū)域會出現(xiàn)漩渦空化初生-發(fā)展-分離的過程；圖6（b）中時刻t1和t3與圖5中的時刻t1和t3相對應(yīng)，葉輪轉(zhuǎn)動一周所需時間為4.05×10-2s，設(shè)該時間為T，分別以t1和t3為起始點，每經(jīng)過T/2標(biāo)記一個點；由圖6（b）可以看出，t1時刻之前，出口壓力處于一個上升階段，從t1時刻開始，出口壓力開始出現(xiàn)下降，直到t3時刻壓力又恢復(fù)上升趨勢，如前文所述，從t1時刻到t3時刻有一個漩渦空化初生-發(fā)展-分離的過程，這說明發(fā)生該過程會對泵內(nèi)部的流場產(chǎn)生擾動，從而影響到出口瞬時壓力；從t1時刻起，葉輪轉(zhuǎn)過半個周期之后，在t1+T/2時刻又發(fā)生了上述漩渦空化初生-發(fā)展-分離的過程，到t3+T/2時刻該過程結(jié)束，在t1+T/2時刻之前出口壓力處于一個下降的階段，對比圖6（a）和圖6（b）可以看出，該過程的發(fā)生會使出口壓力降低到更低，即圖6（b）中t3+T/2時刻所處的波谷位置要低于圖6（a）中相應(yīng)的波谷位置；再經(jīng)過T/2時間，又會發(fā)生一次上述過程，相應(yīng)的會有出口瞬時壓力的降低，由圖6（b）可以看出，葉輪每轉(zhuǎn)過一周，該過程發(fā)生2次。

圖6 螺旋離心泵出口壓力波動時域圖

5.3 漩渦空化的發(fā)展對揚程的影響

圖7 所示為不穩(wěn)定漩渦空化對應(yīng)的揚程曲線。從圖可見，設(shè)計工況下泵內(nèi)沒有空化發(fā)生；進(jìn)口汽蝕余量為2.13 m時，螺旋離心泵內(nèi)部遠(yuǎn)離葉輪輪緣與蓋板間隙的漩渦空化區(qū)有一個漩渦空化形成-發(fā)展-分離過程，大約每隔2.024×10-2s該過程發(fā)生1次，該工況下的揚程曲線上的點狀標(biāo)記為每次漩渦空化形成-發(fā)展-分離過程的起始點。對比2條曲線可以看出，由于發(fā)生了漩渦空化形成-發(fā)展-分離過程，在進(jìn)口汽蝕余量為2.13 m時，當(dāng)漩渦空化形成-發(fā)展-分離過程起始點位于揚程曲線上升階段時，會導(dǎo)致?lián)P程曲線在上升過程中出現(xiàn)一個回落，當(dāng)漩渦空化形成-發(fā)展-分離過程起始點位于揚程曲線下降階段時，會導(dǎo)致?lián)P程曲線的波谷位置更低，這說明該工況下的揚程曲線是漩渦空化形成-發(fā)展-分離過程特有的泵揚程波動趨勢。

圖7 不穩(wěn)定漩渦空化對應(yīng)的揚程曲線

6 結(jié)語

隨著有效汽蝕余量NPSH的降低，由流經(jīng)輪緣間隙的二次流引起的漩渦低壓區(qū)會在輪緣附近生成空化區(qū)，由于輪緣間隙兩側(cè)的周期性壓力波動，輪緣間隙附近的漩渦會發(fā)生周期性脫落，脫落的漩渦在流道中部又會導(dǎo)致新的空化區(qū)生成，該空化區(qū)會占據(jù)大部分流道，造成揚程大幅下降；伴隨漩渦脫離，新漩渦空化的初生-發(fā)展-分離過程會使泵出口壓力產(chǎn)生不規(guī)則的波動。

在一定工況下，螺旋離心泵葉輪區(qū)域會出現(xiàn)周期性的漩渦空化初生-發(fā)展-分離的過程，這意味著該泵內(nèi)部漩渦空化的初生在一定程度上是可控的，并且漩渦空化的初生、發(fā)展過程會相對穩(wěn)定的重復(fù)發(fā)生，所以螺旋離心泵是一個比較好的用于研究漩渦空化的平臺，可以基于螺旋離心泵來進(jìn)一步研究水力機(jī)械內(nèi)部的漩渦空化特性及研究空化的初生、發(fā)展對水利機(jī)械性能的影響。

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