基于CFD的礦井用離心泵葉輪抗汽蝕優(yōu)化設(shè)計

孫向龍

（河北省承德技師學(xué)院，河北 承德 067000）

從礦井用離心泵的實際情況來看，礦井用離心泵的特征表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)簡單、體積小、流量均勻等。但是礦井用離心泵由于礦井內(nèi)特殊的應(yīng)用環(huán)境，導(dǎo)致離心泵可能出現(xiàn)汽蝕的問題。針對于這一情況，對礦井用離心泵的抗汽蝕性能進行提升，是保證礦井開發(fā)水平的關(guān)鍵。

1 CFD技術(shù)概述

CFD技術(shù)是目前進行離心泵葉輪流道內(nèi)部流場的重要方法，CFD技術(shù)在應(yīng)用過程中，經(jīng)歷了無粘性流動到粘性流動的發(fā)展歷程，從二維流動向準(zhǔn)三維流動方向發(fā)展。CFD技術(shù)以流體力學(xué)質(zhì)量方程、動量方程、能量方程作為基本的控制方程，對離心泵葉輪流道內(nèi)的流體流動情況進行了描述，借助于基本控制方程組，使葉輪設(shè)計過程中更具針對性。其主要研究方向如下。

（1）探討葉輪內(nèi)部液體流暢情況。

（2）蝸殼內(nèi)部流暢。結(jié)合礦井用離心泵的工作原理，在進行流體輸送過程中，需要從葉輪經(jīng)過流道，最后通向蝸殼。

（3）葉輪與蝸殼交界面的流暢情況。

2 基于CFD的礦井用離心泵葉輪抗汽蝕優(yōu)化設(shè)計分析

2.1 CFD分析計算步驟

在利用CFD模型進行離心泵葉輪抗汽蝕優(yōu)化設(shè)計過程中，需要對計算步驟進行有效設(shè)置。關(guān)于CFD分析計算步驟具體內(nèi)容如下。

（1）利用CFD軟件—Fluent軟件進行計算步驟設(shè)計，做好網(wǎng)絡(luò)檢查，并對流體的物理特性進行設(shè)置。為了保證計算的精度和計算過程的收斂性，需要對網(wǎng)格進行相應(yīng)地光順和轉(zhuǎn)換處理。

（2）對邊界條件進行設(shè)定。對邊界條件和初始條件設(shè)計時，要注重對礦井用離心泵的使用性能和相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸做好把握。對離心泵的流量設(shè)計時，要注重對入口液體的進入速度做好把握。

（3）注重對收斂判據(jù)進行設(shè)置，主要是保證Fluent軟件在求解過程中，對不穩(wěn)定問題進行解決。

（4）數(shù)值模擬結(jié)果處理時，以6片葉輪作為模擬計算依據(jù)，流道的寬度為27.5mm，吸入口以平直型為主。在進行網(wǎng)格模型優(yōu)化設(shè)計過程中，迭代次數(shù)設(shè)計為1000次，具體的計算結(jié)果如下。

圖1 殘差監(jiān)測圖

2.2 葉輪主要參數(shù)數(shù)值模擬

在對礦井用離心泵葉輪抗汽蝕優(yōu)化設(shè)計過程中，由于離心泵汽蝕影響因素較多，包括了安裝因素、結(jié)構(gòu)因素以及材料因素、運行環(huán)境因素等，本文在對離心泵抗汽蝕優(yōu)化設(shè)計過程中，從其結(jié)構(gòu)方向入手，通過對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行模擬設(shè)計，借助于CFD技術(shù)實現(xiàn)對離心泵抗汽蝕的優(yōu)化設(shè)計。

（1）葉輪片數(shù)的抗汽蝕效果模擬。從離心泵葉輪片數(shù)角度出發(fā)，利用SolidWorks軟件對離心泵葉輪片數(shù)的參數(shù)進行設(shè)計，分別設(shè)置為4片、5片、6片的參數(shù)，并構(gòu)建流道三維模型。得出離心泵性能如表1。

表1 不同葉輪片數(shù)離心泵性能統(tǒng)計

從不同片數(shù)來看，離心泵葉輪片數(shù)為6片的時候，其效率值最高為64.02%；但葉輪片數(shù)為6片時，相對于5片的葉輪，其揚程較小。從整體情況對比來看，當(dāng)葉輪片數(shù)為6片時，其揚程以及效率值均達到了最佳的狀態(tài)。

（2）葉輪流道寬度對抗汽蝕性能的模擬。在對葉輪流道寬度的抗汽蝕性能模擬過程中，以6片葉輪為主，葉輪寬度分別設(shè)置為27.5mm、30mm、32.5mm以及35mm。借助于SolidWorks軟件進行分析，得出不同寬度離心泵的性能結(jié)果如表2。

表2 不同流道進口寬度對離心泵性能的影響統(tǒng)計

通過利用SolidWorks軟件進行模擬分析，得出的數(shù)據(jù)結(jié)果來看，當(dāng)葉輪寬度為32.5mm左右時，不論是揚程還是效率值均達到了最佳狀態(tài)。

（3）葉輪進口形狀對抗汽蝕性能的影響。葉輪進口形狀對其抗汽蝕性能有著一定的影響，借助于SolidWorks軟件分析，其進口形狀分別為漸擴型、平直型和漸縮型。通過對三種進口形狀流動模型進行模擬分析，得出不同進口形狀的離心泵性能水平如表3。

表3 不同進口形狀的離心泵性能

從不同進口形狀的離心泵性能來看，進口形狀采用平直型的性能水平最佳，其揚程為44.61m，效率值為65.35%。利用CFD進行模擬計算發(fā)現(xiàn)，葉輪片數(shù)選擇6片，進口流道寬度為32.5mm，進口形狀為平直型時，離心泵抗汽蝕性能水平最佳。

3 結(jié)語

利用CFD技術(shù)進行礦井用離心泵抗汽蝕優(yōu)化設(shè)計過程中，要注重把握CFD技術(shù)的內(nèi)涵，通過方程組計算，對離心泵的葉輪片數(shù)、流動進口寬度以及流動進口形狀進行有效設(shè)計，從而提升離心泵整體性能水平，更好地滿足離心泵優(yōu)化設(shè)計需要，使礦井開發(fā)水平得到更好地提升。