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)果相對比,結(jié)果表明預(yù)測曲線與試驗(yàn)曲線趨勢基本一致,預(yù)測值與試驗(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.對原型離心泵全流道內(nèi)的空化流場進(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),曲線變化趨勢基本一致,說明所選的空化模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測離心泵的空化性能,這也說明數(shù)值模擬預(yù)測可以代替復(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、多級、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。