立式雙級自吸泵自吸過程的數(shù)值模擬研究

袁漢欽，高攀龍，張塬東

（1.海裝上海局駐合肥地區(qū)軍事代表室，合肥 230088；2.合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031；3.浙江大學 能源工程學院，杭州 310027）

0 引言

立式自吸泵具有運行穩(wěn)定、安全性能好等特點，同時，其振動噪聲低，易于維護、使用壽命長。特別是可用于含雜質(zhì)液體可靠輸送的立式無密封自吸泵，在冶金、電力和污水處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1-3］。自吸泵的工作過程可分為2個階段：氣液兩相流動和普通離心泵工作階段。啟動后葉輪旋轉(zhuǎn)在葉輪進口，并在葉輪進口產(chǎn)生負壓，將吸入管內(nèi)的空氣吸入泵體并排出。當吸入管中的氣體被全部排出泵外后，自吸泵轉(zhuǎn)化為普通離心泵工作階段。對于立式自吸泵而言，除了效率和抗污能力外，最大自吸高度和自吸時間等自吸性能指標也被著重關(guān)注。自吸過程中抽上液體時的相對于液面所能達到的最大幾何高度即為泵的最大自吸高度，泵啟動至泵出口充滿液體所需的時間即為泵的自吸時間。

已有學者圍繞提高立式自吸泵性能開展數(shù)值模擬和改進設(shè)計研究，孫幼波［4］、張塬東［5］等先后對單級和雙級立式自吸泵的性能進行數(shù)值模擬和試驗研究，并基于數(shù)值模擬對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計。夏麗等［6］則研究立式自吸泵蝸殼回流孔位置對提升自吸性能和水力性能的影響。王春林等［7］采用FLUENT軟件對自吸式旋流自吸泵內(nèi)氣液兩相流場進行了數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)自吸時單液狀態(tài)下靜壓稍微大于氣液兩相狀態(tài)下的靜壓，液相通過相間作用夾帶氣相流動是泵內(nèi)的主要流動。劉建瑞等［8］針對內(nèi)混式自吸泵，通過采用FLUENT軟件對泵自吸過程的氣液兩相流進行了數(shù)值模擬，通過對結(jié)果分析，給出了進口不同含氣率條件下流場的氣相分布、速度分布和壓力分布。李紅等［9-10］采用VOF多相流模型結(jié)合滑移網(wǎng)格技術(shù)，對泵啟動過程中氣液分離現(xiàn)象和混合現(xiàn)象進行了數(shù)值模擬，獲得葉輪內(nèi)回流孔、監(jiān)測點及蝸殼各斷面的含氣率變化曲線。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在自吸前期和末期，泵內(nèi)多數(shù)區(qū)域體積和含氣率存在一個迅速變化過程，蝸殼各斷面、葉輪進出口、回流孔處速度在自吸前期存有振蕩，表現(xiàn)出明顯瞬態(tài)效應(yīng)。Huang等［11-12］以泵出口處和葉輪入口氣液相流量隨時間的變化規(guī)律估算自吸時間，對自吸泵啟動過程中氣液兩相流的瞬態(tài)過程進行了數(shù)值模擬。上述研究中，針對自吸過程的模擬均基于自吸泵入口的含氣率為某一固定值的假設(shè)。然而，自吸過程的入口含氣率為一個變化值，現(xiàn)有計算結(jié)果均未給出完整自吸過程流場和性能變化。

本文以一臺立式雙級自吸泵為對象，相對真實地模擬自吸過程的系統(tǒng)條件，基于FLUENT軟件模擬自吸泵內(nèi)非定常氣液兩相流動，分析自吸過程中泵內(nèi)部的含氣率及壓力的演化規(guī)律，為改進立式自吸泵的自吸性能提供參考。

1 雙級立式自吸泵結(jié)構(gòu)與建模

1.1 自吸泵性能參數(shù)與模型

本文研究的雙級自吸泵結(jié)構(gòu)如圖1所示，該泵額定流量為370 m3/h，額定揚程為47 m，額定轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，自吸高度為2.5 m，要求自吸時間不大于180 s。在建模過程中，為了節(jié)省計算資源，同時考慮到氣液分離室內(nèi)蝸殼支架等結(jié)構(gòu)對泵水力性能的影響不大，在構(gòu)建模型的過程中可忽略氣液分離室內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本文最終所建模型由出口管、副葉輪、次級后密封環(huán)間隙、次級前密封環(huán)間隙、次級蝸殼、次級葉輪、氣液分離室、首級后密封環(huán)間隙、首級前密封環(huán)間隙、首級蝸殼、首級葉輪、吸入管等部分組成。考慮到自吸過程的數(shù)值計算，建模過程中還在立式自吸泵出口位置增加節(jié)流裝置，如圖2所示。泵吸入管水平延伸1.12 m，向下延伸3 m（空氣段），該模型的自吸高度為2.5 m，與試驗過程保持一致。

圖1 雙級立式自吸泵結(jié)構(gòu)示意

圖2 立式自吸泵自吸過程計算模型

1.2 網(wǎng)格劃分與計算方法

本文采用ICEM軟件對模型進行混合網(wǎng)格劃分。采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格的有氣液分離室、副葉輪流道、蝸殼流道和葉輪流道等，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的有次級前后密封間隙、首級前后密封間隙、出口管和吸入管。圖3示出整體流道網(wǎng)格劃分結(jié)果，整個模型共計3 860 518個網(wǎng)格單元。為分析網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響，對3種網(wǎng)格數(shù)量分別為4 663 289，3 860 518，3 128 649的情況進行了流場模擬，進而分析計算結(jié)果和網(wǎng)格數(shù)量之間的關(guān)系。結(jié)果顯示其可以滿足數(shù)值模擬精度要求，3種情況下?lián)P程變化均小于1.5%，得到的揚程分別為49.37，49.13，48.68 m，本文最終采用網(wǎng)格數(shù)量為3 860 518的網(wǎng)格進行計算。

圖3 立式自吸泵計算網(wǎng)格

采用FLUENT軟件對該立式自吸泵內(nèi)部流場進行定常數(shù)值模擬。采用Realizablek-ε模型作為本文的湍流模型，求解離散方程采用壓力耦合方程組SIMPLEC算法。對于邊界條件的設(shè)置，具體如下：出口和入口分別設(shè)置為壓力出口和速度入口，通過interface連接氣液分離室、蝸殼以及葉輪等主流道與密封間隙流道。在具體對于計算區(qū)域的相關(guān)設(shè)置中，存在旋轉(zhuǎn)和靜止計算域，其中旋轉(zhuǎn)計算域主要包含密封間隙的葉輪前、后蓋板壁面、葉輪和副葉輪流域，對應(yīng)分別采用旋轉(zhuǎn)壁面條件和旋轉(zhuǎn)坐標系；靜止計算域主要包含密封間隙、出口管、吸入管、蝸殼和氣液分離室，采用靜止坐標系。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 氣液兩相分布

雙級自吸泵自吸過程中截面的氣液兩相分布云圖如圖4所示，圖4（a）表示的是自吸泵的初始狀態(tài)，此時，自吸泵管路充滿水，僅在吸入管充滿3 m高度的空氣。隨著泵的運行，首級、次級葉輪運動，如圖4（b）所示，泵入口的水開始流入首級葉輪，同時，在葉輪入口處產(chǎn)生了一定的負壓，使得吸入管中的氣體隨管路進入泵首級葉輪。從圖4（c）可看出，氣體進入首級葉輪后，經(jīng)過離心力的作用，氣體開始進入氣液分離室，并伴隨著首級葉輪內(nèi)的氣體越來越多。隨著首級葉輪內(nèi)氣體的增加，如圖4（d）所示，氣體進入了次級葉輪，此時的首級葉輪主要對氣體做功，氣體受到重力影響，進入氣液分離室的頂端。隨著首級葉輪流道內(nèi)含氣量的減少，氣液分離室中的氣體也越來越多，首級葉輪對氣水混合物做功增加，同時，從4（e）可以看出出口管中出現(xiàn)氣水混合物。如圖4（f）所示，吸入管中的氣體含量繼續(xù)減少，泵體內(nèi)的氣體含量很高，氣液混合比較均勻，出口管中的氣液混合物增多。圖4（g）顯示吸入管中的氣體全部進入泵體。圖4（h）顯示自吸泵進入正常排水階段，泵自吸過程結(jié)束對應(yīng)時間在t=7.31 s。

圖4 立式雙級自吸泵內(nèi)中截面氣液兩相分布

雙級自吸泵首級葉輪截面氣液兩相分布云圖如圖5所示。圖5（a）顯示，當t=0.72 s時，此時自吸泵的首級葉輪內(nèi)部開始出現(xiàn)氣體。由圖5（b）（c）可以看出，當t=0.78 s、t=0.84 s時，相對于壓力面，葉輪內(nèi)吸力面含氣率更大，并逐漸增加。造成這種現(xiàn)象的原因主要是空氣和水密度的差異，相對于水，空氣的流動存在滯后，液體水向壓力面區(qū)域靠近，空氣則逐漸向容易產(chǎn)生流動分離的葉片吸力面附近靠近。當t=1.07 s時，從圖5（d）中可以看到，葉輪周圍空氣含量較高，水出現(xiàn)在蝸殼附近，且隨著空氣含量的增大，蝸殼內(nèi)部的水進入氣液分離室。當t=1.51 s時，自吸泵的整個葉輪蝸殼內(nèi)部幾乎充滿了空氣，此時首級葉輪以排氣為主，見圖 5（e）。由圖 5（f）～（h）可以看出，葉輪內(nèi)部的空氣含量逐漸降低，葉輪內(nèi)的空氣和水混合逐漸均勻，且主要以氣水混合狀態(tài)存在。當t=3.52 s時，可以看出，吸入管中的氣體全部通過首級葉輪進入氣液分離室，見圖5（i）。

圖5 首級葉輪截面氣液兩相分布云圖

立式雙級自吸泵次級葉輪截面氣液兩相分布云圖如圖6所示。從圖6（a）可看出，此時氣液混合物經(jīng)過自吸泵首級葉輪進入次級葉輪。從圖6（b）可看出，葉輪流道內(nèi)的空氣和水分布不均勻，次級葉輪中的吸力面區(qū)域聚集含氣率低的氣水混合物。從圖6（c）可看出，次級葉輪中含氣率達到0.65左右，此時次級葉輪對氣水混合物做功最少。從圖6（d）（e）可看出，次級葉輪流道內(nèi)充滿均勻分布的氣水混合物。從圖6（f）可看出，次級葉輪、蝸殼和氣液分離室內(nèi)部空氣含量較少，排除氣水混合物基本上是水夾帶著少量氣體。

圖6 次級葉輪截面氣液兩相分布云圖

2.2 壓力及含氣率變化曲線

圖7示出自吸泵入口、首級葉輪進口面靜壓與含氣率隨時間變化曲線。由圖可知，初始時間t=0 s時，首級葉輪進口含氣率為0，首級葉輪進口靜壓較低。當時間為t=0.72 s時，空氣進入首級葉輪，首級葉輪中的含氣率開始升高，并伴隨著首級葉輪進口靜壓快速上升至9 000 Pa，隨后快速下降；當 0.72 s＜t＜1.51 s時，吸入管中的氣體不斷進入首級葉輪，首級葉輪主要對氣體做功，隨著時間增加，首級葉輪進口面的含氣率迅速增加，最大值為0.98；在此過程中，伴隨空氣進入葉輪，首級葉輪進口靜壓出現(xiàn)一個小波動，隨著進氣量的增加，靜壓迅速升高，后隨之降低；當1.51 s＜t＜3.52 s時，自吸泵內(nèi)的氣體主要進入蝸殼和氣液分離室，首級葉輪內(nèi)的空氣逐漸減少至0，此時吸入管中空氣全部進入自吸泵。在此過程中，當含氣率逐漸減小時，伴隨著首級葉輪進口靜壓先出現(xiàn)一個上升，后快速下降至-16.9 kPa。當首級葉輪內(nèi)的空氣全部進入氣液分離室后，靜壓逐漸穩(wěn)定在-12.5 K。同時，根據(jù)泵入口靜壓曲線可知。在0.72 s＜t＜3.52 s過程中，泵入口靜壓出現(xiàn)較小波動，其余時間保持穩(wěn)定。

圖7 自吸泵入口、首級葉輪進口靜壓與含氣率變化

自吸過程初期首級葉輪主要對水做功，當有氣體進入葉輪時，首級葉輪做功減少，同時由于重力原因，吸入管水柱快速下降，葉輪入口靜壓出現(xiàn)較大波動。隨著含氣率的增加，排水能力減弱，靜壓值快速下降，1s后葉輪進口與泵入口靜壓差增大，每次含氣率經(jīng)過波峰或波谷值時，首級葉輪進口靜壓都會出現(xiàn)一定程度的上下浮動，首級葉輪的自吸末期，首級葉輪不再對氣體做功，首級葉輪進口靜壓開始穩(wěn)定。

圖8示出立式雙級自吸泵首級葉輪出口面、首級蝸殼出口面靜壓與含氣率隨時間變化曲線。從圖8可以看到，首級葉輪出口靜壓和首級蝸殼出口靜壓變化趨勢一致。當0.72 s＜t＜1.51 s時，吸入管內(nèi)的氣體進入首級葉輪，首級葉輪和蝸殼出口靜壓迅速下降，在t=1.51 s時，靜壓最小，當 1.51 s＜t＜3.52 s時，靜壓值慢慢升高，主要是因為對應(yīng)氣水混合物中水的體積分數(shù)不斷增大，在t＞3.52 s時，吸入管中氣體全部進入氣液分離室，首級葉輪不再對氣體做功，首級葉輪出口和蝸殼出口靜壓開始穩(wěn)定。靜壓變化規(guī)律和含氣率變化規(guī)律相反。從圖8也可以發(fā)現(xiàn)首級蝸殼出口面含氣率曲線和首級葉輪出口面含氣率曲線變化基本一致，它們的不同主要是因為流體介質(zhì)流過的時間不一致，存在一定的滯后性，當氣水兩相流體介質(zhì)流經(jīng)蝸殼后，部分動能轉(zhuǎn)換為壓能。當0 s＜t＜0.72 s時，吸入管中氣體未進入首級葉輪，首級葉輪出口和蝸殼出口含氣率均為0，當0.72 s＜t＜1.51 s時，吸入管中氣體進入首級葉輪，首級葉輪出口和蝸殼出口含氣率迅速上升，并在t=1.5 s時達到最大值，當 1.51 s＜t＜3.52 s時，對應(yīng)含氣率又迅速下降，此時氣水混合物逐漸進入氣液分離室，當t＞3.52時，含氣率重新穩(wěn)定為0。

圖8 首級葉輪出口、蝸殼出口靜壓與含氣率

當吸入管空氣進入首級葉輪，首級葉輪內(nèi)的含氣率逐漸增大，首級葉輪逐漸對氣體做功增強，首級葉輪與蝸殼出口面的靜壓值下降。伴隨著首級葉輪中含氣率的減小，首級葉輪對氣水混合物的做功能力開始增強，對應(yīng)的出口面靜壓值開始上升。當進入首級葉輪中的氣水混合物全部進入氣液分離室，首級葉輪不再對氣水混合物做功，首級葉輪不再對氣體做功，靜壓開始穩(wěn)定。

圖9示出立式雙級自吸泵次級葉輪進出口面、蝸殼出口面靜壓與含氣率隨時間變化曲線。由圖9可以看到，次級葉輪出口靜壓和次級蝸殼出口靜壓變化趨勢一致，與次級葉輪入口靜壓變化趨勢不完全一致。次級葉輪進出口含氣率和次級蝸殼出口含氣率變化規(guī)律一致，當t=0.72 s時，吸入管氣體進入首級葉輪，次級葉輪進出口靜壓和次級蝸殼出口靜壓迅速降低，是因為隨著含氣率的增加，首級葉輪對氣液混合物做功能力減弱。當1 s＜t＜1.51 s時對應(yīng)3個靜壓均保持平穩(wěn)，是因為此時首級葉輪內(nèi)部含氣率很大，首級葉輪對氣水混合物做功能力較差。當t＞1.51 s時，次級葉輪出口靜壓和次級蝸殼出口靜壓先下降后上升，是因為氣水混合物進入次級葉輪，次級葉輪的做功能力改變。次級葉輪進口靜壓緩慢上升，是因為首級葉輪含氣率降低，做功能力增強。當t＞3.52 s時，次級葉輪進口靜壓保持平穩(wěn)，是因為此時首級葉輪不再對氣體做功，恢復(fù)正常做功。次級蝸殼出口和次級葉輪出口靜壓保持繼續(xù)緩慢上升，是因為此時次級葉輪需要對氣水混合物做功，隨著含氣率的減小，次級葉輪做功能力逐漸回歸正常狀態(tài)。當t=8 s后，靜壓趨于穩(wěn)定，此時自吸泵次級葉輪正常運行，不再對氣水混合物做功。

圖9 次級葉輪進出口、蝸殼出口靜壓與含氣率

3 結(jié)語

基于FLUENT軟件對一臺立式雙級自吸泵的自吸過程進行非定常數(shù)值模擬，給出從開機到正常排水整個過程的氣液兩相流動演化特性，包括泵內(nèi)首級葉輪、蝸殼與次級葉輪、蝸殼各進出面的靜壓值、含氣率變化曲線，分析了自吸過程氣液兩相流動的變化規(guī)律。通過設(shè)置泵吸入管空氣段和出口管節(jié)流閥，可相對真實地模擬立式自吸泵自吸條件，得到整個自吸過程的流動演化。結(jié)果顯示：在雙級立式自吸泵的啟動初期，當有氣體進入首級葉輪時，其葉輪做功減少，吸入管水柱由于受到重力作用，開始迅速下降，進而對自吸泵葉輪入口的靜壓有較大影響。首級葉輪的做功能力隨氣水混合物中空氣分數(shù)減小而逐漸增大，并伴隨著靜壓值逐漸上升，待自吸泵吸入管內(nèi)部的氣體完全進入氣液分離室后，首級葉輪進入正常工作狀態(tài)。首級葉輪進入正常排水后，次級葉輪進口面靜壓值開始穩(wěn)定，氣液分離室含氣率逐漸下降，次級葉輪逐漸達到正常排水狀態(tài)，出口靜壓值上升，完成整個自吸過程。