化工流程泵水力性能分析与试验研究

尚勇，刘家欢，雷洋，曾永忠

（1.四川省自贡工业泵有限责任公司，四川自贡 643031；2.西华大学能源与动力工程学院，成都 610039）

0 引言

化工流程泵自身结构导致其内部流动极为复杂，因此对化工流程泵内部流动特性的观察和研究就变得极为繁琐和困难。业内通常采用试验的方法对化工流程泵的内部流动特性进行研究，但通常实验方法所需的设备种类多、精度高、专业性强、耗费成本高、实验周期长、不确定因素多等不足。伴随云计算、大数据及存储技术的迅猛发展，国内外诸多机构及科研院所广泛应用CFD计算方法研究输送流体的旋转机械内部流动及性能分析，因此借助计算机进行模拟分析，对离心式泵流动特性进行模拟及分析的方法日益普及[1-10]。

本文借助CFD软件，采用S-A湍流模型与N-S方程对化工流程泵三维内流场进行数值模拟计算分析，探寻蜗壳及叶轮流道内的流场分布及水力性能，并进行试验研究及数据结果对比。

1 数值计算方法

1.1 计算选用湍流模型

计算采用S-A湍流模型，该模型处理具有避免边界条件的空气流动问题，尤其对于在边界层中具有逆向压力梯度的问题，计算结果证明非常有效[11]。其相应的输运方程为

1.2 几何模型及流道网格划分

如图1、图2所示，构建3D模型，将计算域模型导入GTURBO软件，并生成结构化网格。

图1 化工流程泵叶轮、蜗壳3D模型图

图2 化工流程泵叶轮、蜗壳结构化网格图

1.3 边界条件设置

1）进水边界条件。假设叶轮进水无旋流动、压力均匀分布，由质量守恒定律计算进水轴向速度。2）出水边界条件。出水口界条件设置为标准大气压，离心泵设计参数如表1所示。

表1 化工流程泵设计参数

1.4 数值计算

借助Fluent软件，在不同进水流速下，对叶轮内部三维流动及水力性能进行数值计算，分别对流量工况为0.52Qopt、0.69Qopt、0.85Qopt、Qopt、1.19Qopt、1.35Qopt进行数值计算结果对比分析。

模拟收敛准则：1）残差计算收敛精度为10-5，设置性能参数（如推进轮轴向力、叶片转距等）随计算迭代步数增加呈脉动分布；2）若预测计算结果存在大分离状态，则各性能设置参数只需呈周期脉动变化，即可视计算结果满足预期要求。

2 数值模拟结果及分析

2.1 叶轮中间截面及盖板前、后流面压力分布

叶轮中间截面及前、后盖板压力分布如图3～图5所示，分析表明：1）流量为0.52Qd时，叶轮靠近蜗舌的流道截面内，压力分布离散，吸力面靠近叶片进水边局部范围出现负压区，该负压区通常在泵进水流量较小时出现，且该负压区易对叶轮造成气蚀破坏，与泵实际运行产生的结果相吻合；2）叶轮外缘出水边，压力随流量的增大，出水面压力增大，吸力面靠近叶片进水边范围出现的负压区范围逐渐缩小，流量为Qd时，叶轮进水到出水压力变化均匀；3）流量小于Qd时，叶轮入水面到出水面压力与流量变化趋势相同，压力分布改善明显；流量大于Qd时，从叶轮前盖板进水到出水压力分布随着流量的增大呈恶化发展趋势，叶轮中间截面及后盖板流面压力呈渐进变化。

图3 叶轮中间截面压力分布

图4 叶轮前盖板压力分布

图5 叶轮后盖板压力分布

2.2 叶蜗内流面压力分布

蜗壳内流面压力分布如图6所示，分析表明：1）流量小于Qd时，靠近第Ⅲ断面、第Ⅴ断面、第Ⅷ的蜗壳内产生低压区，高压区在蜗壳第Ⅱ、第Ⅳ、第Ⅶ断面附近产生，随进水流量增加，紧邻蜗壳进水的叶轮出水位置压力逐渐增大，蜗壳出水段区域压力最高；2）流量大于Qd时，蜗壳内压力较高的区域未出现显著变化，低压区由蜗壳的第Ⅷ断面逐渐向第Ⅸ截面偏移；3）工况偏大流量时，蜗壳出水压力较蜗壳内压力低，随流量增大蜗壳出水呈逐渐降低趋势。

图6 蜗壳内流面压力分布

2.3 叶轮中截面速度矢量分布

叶轮中截面速度矢量分布如图7所示，分析表明：1）流量为0.52Qd时，大尺寸涡流在叶轮靠近蜗壳的第Ⅸ断面的流道内出现，叶轮在该区域的整个流道几乎均被该涡流占据，造成叶轮内部流动的严重阻塞；2）流量小于Qd时，该涡流的强度随流量增加而削弱，且该涡流逐渐向叶轮出水靠近，流量大于Qd时，该涡流消失；3）流量增加，叶轮外缘相对速度逐步增加，叶轮出水出流角增大，加剧对蜗壳壁面的冲击，液流水力损失加剧，能耗增加。

图7 叶轮中截面速度矢量分布

3 试验与计算数据对比

公司设计生产用泵均在公司水泵测试中心进行，本次试验借助我公司B级精度水泵测试系统，对该该离心泵水力性能进行运转测试，试验场地如图8所示。在不同进水流量下，泵水力性能试验与计算特性曲线如图9所示。

图8 公司测试中心场地布置图

图9 不同流量下泵Q-H、Q-η模拟与试验曲线对比

分析图9可知：1）本次数值计算是对模型做了一些假定前提，如壁面光滑、未考虑圆盘摩擦能量损失等，不同测试及计算参数下，离心泵水力性能的计算η和H略高；2）化工流程泵叶片为3枚，进水流量超过设计流量时，叶轮出水径向速度增大，流道对液流约束力不强，蜗壳内壁面受流体撞击增强，能量损失大，扬程降低；3）设计流量时，二者偏差小，扬程绝对误差为1.4%，效率绝对误差为0.82%；4）在0.52Qd与1.33Qd流量时，二者误差增大，扬程绝对误差为1.83%，效率绝对误差为1.45%。5）综上可知：在一定流量范围内，数值模拟能够比较真实准确地反映旋转机械内部的复杂三维流动，对旋转机械水力性能进行有效预测。

4 结论

借助流体分析软件，对离心泵叶轮进行数值分析及试验验证。由模拟及试验结果分析可得出如下结论。

1）小流量工况下，吸力面靠近叶片进水边局部范围出现负压区，该负压区在泵进水流量较小时易产生，该负压区易对叶轮造成气蚀破坏，与泵实际运行结果相吻合。

2）小流量工况下，大尺寸涡流在叶轮靠近蜗壳的第Ⅸ断面的流道内出现，叶轮在该区域的整个流道几乎均被该涡流占据，造成叶轮内部流动的严重阻塞。

3）流量增加，叶轮外缘相对速度逐步增加，叶轮出水出流角增大，加剧对蜗壳壁面的冲击，液流水力损失加剧，能耗增加。

4）数值计算对预测旋转机械内部复杂三维流动及水力性能进行预测的数值模拟分析可靠；为从事与水力机械相关的设计和研发人员提供了一种水力性能研究的有效途径。