基于CFD技術(shù)改善離心泵內(nèi)部空化性能的研究

由于離心泵在實(shí)際運(yùn)行的過程中,空化會(huì)降低泵的揚(yáng)程和效率;空蝕將對(duì)離心泵造成極大的破壞并產(chǎn)生噪音和振動(dòng)。所以空化與空蝕破壞是引起離心泵故障的主要原因之一,如何提高離心泵的空化性能是流體機(jī)械研究領(lǐng)域的一個(gè)重要的研究方向。 近年來,隨著CFD技術(shù)的快速發(fā)展,從研究離心泵內(nèi)部流體流動(dòng)的機(jī)理出發(fā),使用數(shù)值模擬研究離心泵內(nèi)部空化流動(dòng),利用數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的結(jié)果來指導(dǎo)改善離心泵內(nèi)部的空化性能已經(jīng)成為可能。因此,數(shù)值模擬方法已經(jīng)成為離心泵性能分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的手段。 本文以CFD技術(shù)為基礎(chǔ),應(yīng)用商業(yè)軟件FLUENT中的RNG k-ε兩方程模型和SIMPLEC算法,采用了Singhal等人發(fā)展的一種三維混合流體完整空化湍流模型,對(duì)離心泵內(nèi)部的全流道三維空化流動(dòng)進(jìn)行定常數(shù)值模擬研究,分析了在同一設(shè)計(jì)工況下原型離心泵葉輪和3種不同進(jìn)口參數(shù)的葉輪在內(nèi)部流場(chǎng)的壓力、速度、空泡體積分?jǐn)?shù)分布和離心泵整機(jī)性能發(fā)生的變化,這對(duì)離心泵改善其空化性能、優(yōu)化設(shè)計(jì)、節(jié)能降耗有著重要的意義。得到以下主要結(jié)論: 1.為了驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,先對(duì)原型離心泵進(jìn)行了非空化流動(dòng)和空化流動(dòng)的數(shù)值模擬,通過把數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比,結(jié)果表明預(yù)測(cè)曲線與試驗(yàn)曲線趨勢(shì)基本一致,預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值在設(shè)計(jì)工況下結(jié)果比較吻合,這為下面的工作打下了基礎(chǔ)。 2.對(duì)原型離心泵全流道內(nèi)的空化流場(chǎng)進(jìn)行模擬得到了空化現(xiàn)象主要發(fā)生在葉輪內(nèi)部,而在吸入段和蝸殼段均沒有明顯的空化現(xiàn)象發(fā)生,說明葉輪對(duì)泵的空化性能具有重要的影響。從原型離心泵空化余量一揚(yáng)程曲線中,發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)值和數(shù)值模擬預(yù)測(cè)值計(jì)算結(jié)果比較吻合,誤差在5%范圍內(nèi),曲線變化趨勢(shì)基本一致,說明所選的空化模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)離心泵的空化性能,這也說明數(shù)值模擬預(yù)測(cè)可以代替復(fù)雜而又麻煩的離心泵空化試驗(yàn)。 3.通過改變?nèi)~輪進(jìn)口尺寸,得出葉輪進(jìn)口直徑有一*值為155mm,這*值的存在對(duì)于離心泵的效率的提高和空化余量的降低有著重要的意義。 4.增加葉片的進(jìn)口安放角,即采用較大的正沖角,使進(jìn)口的沖角為5°,葉片進(jìn)口安放角增加到24°,離心泵空化性能得到明顯改善。 5.對(duì)于高比轉(zhuǎn)速離心泵,葉片進(jìn)口邊流道寬度的增加,空化性能改變不是很明顯。

離心泵有立式、臥式、單級(jí)、多級(jí)、單吸、雙吸、自吸式等多種形式。其主要的工作原理有：離心是物體慣性的表現(xiàn)。比如雨傘上的水滴，當(dāng)雨傘緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，水滴會(huì)跟隨雨傘轉(zhuǎn)動(dòng)，這是因?yàn)橛陚闩c水滴的摩擦力做為給水滴的向心力使然。但是如果雨傘轉(zhuǎn)動(dòng)加快，這個(gè)摩擦力不足以使水滴在做圓周運(yùn)動(dòng)，那么水滴將脫離雨傘向外緣運(yùn)動(dòng)。就象用一根繩子拉著石塊做圓周運(yùn)動(dòng)，如果速度太快，繩子將會(huì)斷開，石塊將會(huì)飛出。這個(gè)就是所謂的離心離心泵就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。高速旋轉(zhuǎn)的葉輪葉片帶動(dòng)水轉(zhuǎn)動(dòng)，將水甩出，從而達(dá)到輸送的目的。