双吸泵的空化性能研究

中国农村水利水电·2013年第2期117文章编号:1007-2284(2013)020117-05双噘泵的空化性能研究刘东喜,庄宿国2,王健!,黃浩钦(1.江苏大学流体机械工程技术研究中心,江苏镇江212013;2.西安航天动力研究所西安710100摘要:通过试验和数值计算研究了一台双吸泵的空化性能。为得到更为精确的模拟结果,在进行数值计算之前分别对湍流模型和空化模型进行了改进,并通过二次开发技术把改进后的模型添加到CFX中。把非空化与空化状态下的模拟结果与试验结果进行了详细的对比,对比结果表明数值计算能够较妤地预测双吸泵的能量特性及空化特性。此外,为较为全面地研究该双吸泵内的空化流场,不仅分析了叶轮内空泡体积分数分布和吸水室内空泡分布,还对泵体沿吸水室隔舌中间断面静压分布和叶轮流道内总压分布进行了仔细的研究。研究结果明确了泵性能下降的主要原因是空化的发展,且数值计算能够较为真实地反映双吸泵的空化性能,从而为泵的优化设计提供参考关键词:双吸泵;空化性能;空化模型;湍流模型中图分类号:TH3l文献标识码:AResearch on the Cavitation Performance of a double-suction PumpLIU Dong-xi, ZHUANG Suguo, WANG Jian, HUANG Haoqin(1. Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology, Jiangsu University, Zhenjiang 212013Jiangsu Province, China; 2. Xian Aerospace Propulsion Institute, Xian 710100, China)Abstract: In this paper, the cavitation performance of a double-suction pump is studied by experiments and simulations. To obtainmore accurate simulation results, the turbulence model and the cavitation model are improved and added to the cfx through the sec-ond development technology. Subsequently, the numerical results under the non-cavitation and cavitation conditions are comparewith the experimental data. The comparison shows that the numerical prediction can truly predict the energy characteristics and cavitation characteristics of the double-suction pump. In addition, for a more comprehensive study of the cavitating flows in the doublesuction pump, not only vapor volume fraction distribution in impeller and cavity distribution in the suction chamber, but the staticpressure distribution on intermediate cutting plane of pump and total pressure distribution in impeller passage are analyzed. The present study illustrates that the main reason for the decline of the pump performance is the development of cavitation, and the simulationcan truly reflect the cavitation performance of the double-suction pump, thus providing a good reference for the optimization design ofKey words: double-suction pump; cavitation performance; cavitation model; turbulence model0引言量大等特点,在水利工程中得到了广泛的应用。双吸泵具有以下特点:泵壳水平中开,便于检查和维修;进出口在同一方向且双吸泵作为离心泵的一种重要形式,因其具有扬程高、流都垂直于泵轴,有利于泵和进出水管的安装与布置;叶轮结构对称,没有轴向力,运行较为平稳。在我国黄河沿线地区,提灌收稿日期:201209-05泵站流量较大、扬程都较高,这里大多都采用双吸离心泵。南基金项目:国家自然科学基金(50825902、51079062、51109095水北调中线惠南庄泵站也采用了双吸泵进行供水。51179075);江苏省自然科学基金(BK2009006、双吸泵的空化性能是表征其综合技术性能优劣的一个重BK2010346);江苏省成果转化资金专项(BA2010155)要参数。空化不仅会导致泵性能和效率下降,还会产生振动和和江苏高校优势学科建设工程资助项目噪声等一系列不利现象,空化引起的空蚀甚至会导致过流部件作者简介:刘东喜(1987-),男硕土研究生,主要研究方向为离心泵的损坏这严重影响泵和泵站的安全稳定和可靠运行。目前,空化流数值模拟。 E-mail: dongxiliul@ hotmail. con对于泵空化性能的研究主要有空化试验和数值预测两种方法118双吸泵的空化性能研究刘东喜庄宿国王健等由于数值预测可以提供更多试验数据以外的细节信息,比如速度场、压力场等的详细分布以及空泡产生和发展的规律等,近CE P,-Ca pmk 1+2几十年来,空化流动的数值模拟越来越受到人们的关注。空化流数值模拟的关键在于建立合适的空化模型和湍流模型12Liu等利用 Baldwin-Lomax湍流模型和尾流封闭空化模式中:k和分别为湍动能和湍流耗散率;P为湍动能生成项型很好地预测了空化数对离心泵叶轮表面附着空泡形状的影a和分别为对应于k和e的湍流 Prandtl数。在CFX中,模响。Oki采用DS湍流模型和改进的 Chen-Heist空化模型常数Cn,C,c,a,和列分别取值如下Cn=1.42Ca型计算叶栅和诱导轮中的非定常空化流动,分别观察到间隙旋涡空化和回流空化,并通过试验进行了对比验证。李军等采为更准确地预测空化流场的震荡特性,按照 Coutier-Del用改进的基于液相/汽相界面追踪的空化模型和算法,对空化8sha提出的方法对 RNG k-e模型的湍流粘度进行修正。流动条件下离心泵的水力性能进行了数值预测研究。预测了 RNG k-E模型中混合介质的湍流黏度定义为:=nCnk2/e空化系数对离心泵叶轮表面附着空化气泡形状的影响和离心通过使用=f(A)Ck2/e,修正后的表达式有效地减小了湍泵叶轮内发生的多区域空化流动现象。杨敏官等采用完全流黏度。此处,f(m)=A+[-A-)/(A-)(-p),n空化模型对轴流式模型泵设计工况下叶轮内空化流动进行全一般取值为10,如图1所示流道数值计算。获得了不同空化余量时叶片背面静压、空泡体修正后函数f积组分分布和不同轴截面上的空泡体积组分分布标准函数f目前对水力机械空化流的研究较多,但是对双吸泵空化性能的研究还较少。本研究基于 ANSYS-CFX12求解器,对一台双吸泵进行空化性能的数值计算和分析。为得到更为精确的计算结果,在进行数值计算之前,分别对空化模型和湍流模型进行了改进,并通过二次开发技术把改进后的模型添加到004006008001000CFX中。最后得到了内部流场空泡、压力等的分布规律,并结图1湍流黏度修正(n=10)合试验对数值计算结果进行了验证Fig. 1 Modification of the turbulence viscosity (n= 10)1数学模型1.3空化模型及改进空化模型采用广泛应用于各种空化流模拟的 zwart空化1.1控制方程模型0:在基于均质多相传输方程的模型中,使用以下的一系列控制方程来描述空化流场:R=Fa 3an 1-04/2 P-P PP(A)+(mM)=-9+在水力机械中存在多种类型的空化,如片状空化、云状空化等,且它们中的绝大多数又都是湍流。为了把湍流对空化的aar t ar:3 ax v)重要影响引人空化模型,同时使修正的RNGk模型和 Zwarta(av p, 2+a(a pv u2-R-Ro模型能够更好地结合在一起,使用一个概率密度函数( probability density function,PDF)来考虑湍流压力脉动(Pam)的影式中:、、为速度分量;n、分别为混合介质密度汽相响1,即通过PDF方法来修正相变临界压力(汽化压力)。该密度;an为汽相积分数;x分别为混合介质动力黏度、湍流黏方法需要估计Pm值:度;R、R分别代表蒸汽生成率和蒸汽凝结率。39 pn上述方程组依次是汽/液混合介质的质量守恒方程、动量P=(Pnt+ Ped/2)守恒方程以及汽相体积分数输运方程。体积分数输运方程的式中:P。是相变临界压力;Pu是饱和汽化压力;空泡半径RB提出是为了求解流场中2相分布。=1.0×10-6m;成核位置体积分数am=5×10-4;Fup、Fam分1.2湍流模型及改进别是用来调节蒸发和凝结率的经验常数,分别取值50、0.01;rng k-e模型在空化流CFD计算中有着较为理想的效为液相密度。果3,模型形式如下:=COmk-2研究对象及参数设置a42+a2-a[(m+)3于P2.1研究对象本文研究的双吸泵的主要技术指标如表1所示。该泵的a2+8x.2=a[(m+2)出]+主要过流部件包括吸水室、叶轮和蜗壳等。用ProE进行过流部件的三维造型,得到所需要的流道三维造型。该泵流道造型双吸泵的空化性能研究刘东喜庄宿国王健等119结果如图2所示。本文模拟结果与试验结果较为吻合,在额定工况下,扬程相对表1双吸泵主要技术指标误差为1.85%,效率绝对误差为0.43%。Tab. 1 The main technology indicators of double suction pumpH/NPSH,(m3:h-1)m(r·min-1)1300329602.830预测扬程预测效率一-实验扬程1400o/(mh)图4泵能量特性曲线Fig 4 The energy characteristics curves3.2空化状态下的性能分析图2双吸泵装配模型3.2.1双吸泵空化性能曲线Fig 2 Model of the double suction pump取流量为1300m/h的额定工况进行空化数值计算,并与使用 CEM CFD对该双吸泵进行网格划分,其中进出口延试验结果进行对比数值模拟与试验结果的对比如图5所示。长段部分采用结构化网格,泵流道部分采用适用性较强的非结35构化网格,网格总数为203万图3为泵计算区域网格。实验值图5空化性能曲线图3双吸泵计算区域网格Fig 5 Cavitation performance curvesFig 3 Computational grid of the double suction pump从图5中可以看出数值模拟能正确预测到NPSH减小2.2参数设置到一定程度时泵扬程系数的急剧下降,且数值计算结果与试验ANSYS-CFX12采用基于有限元的有限体积法(CV-值较为吻合。FEM对方程组进行离散。离散方程使用全隐式耦合代数多重3.2.2叶轮内空泡体积分数分布网格方法进行求解。这种求解技术避免了传统算法需要“假设当泵内局部压力低于输送液体工作温度下的汽化压力时,压力项一求解一修正压力项”的反复选代过程,而同时求解动就会产生空泡。图6为额定工况下不同NPSH时叶片表面量方程和连续方程,加上其多重网格技术,使得该类方法在的空泡体积分数分布。ANSYS-CFX中具有很强的健壮性且能有效模拟涡轮机械中由图6可知,当NPSH=7.97m时,此时叶轮进口吸力的漩涡流。模拟过程主要可分两步先进行单相非空化数值模面处已开始有空泡产生,这是因为此处的圆周速度大于进口其拟然后以此计算结果为初始值进行空化两相流数值模拟。他位置由速度三角形可知其进口压力损失及进口绕流引起非空化与空化计算的边界条件设置大体一致:进出口分别的压降相应变大。此外,叶轮进口处的流道转弯,液体由于转设为总压进口和质量流量出口,在固壁处采用绝热无滑移边界弯时离心力的作用流速会变大根据伯努利方程压力则会降条件,近壁区采用 scalable壁面函数。不同的是,在进行空化流低,较容易产生空泡。随着NPSH的降低泵内部发生空化计算时,需设置进口处的液相和汽相体积分数分别为1和0。空泡在叶片表面逐渐增加,并且逐渐由叶片背面的低压区域向叶轮和蜗壳之间的动静耦合通过设置 Frozen rotor交界面来流道内扩展,当达到叶片的工作面后,空泡对流道造成堵塞,这实现。通过逐步减小泵进口总压的方式使泵内部发生空化。将影响叶轮内部的能量交换过程,严重时会引起外特性的3数值计算结果及分析下降。32.3吸水室内空泡分布31单相非空化状态下的性能分析图7为在额定工况下不同NPSH时吸水室内空泡分布首先在单相条件下对该双吸泵进行数值模拟和试验验证。图,为了更为直观地表示空泡分布,本文选取空泡体积分数为选取流量为586、974、1300、1461和1653m3/h等5个工10%的等值体来表示吸水室内空泡分布情况况进行数值计算研究,并与试验结果进行对比。如图4所示,由图7中可以看出,吸水室内的空泡主要集中在出口区域120双吸泵的空化性能研究刘东喜庄宿国王健等空泡体积分数q0.30.40.50.60.70.80.91⑩⑨⑨⑨VPSA=10 mNPSH=7.97 mNPSH=6 mVPSH=4 mNPSH=1.5m图6不同NPSH4下叶轮内空泡体积分数分布Fig 6 Vapor volume fraction distribution at different NPSHa in impellerNPSH =9.5 m\PSA=5mVPSH=3 m图7不同NPSH下吸水室内空泡分布Fig. 7 Cavity distribution at different NPSHa in suction chamber(即吸水室隔舌部位)。当泵的NPSH=3m时,吸水室内的延,引起吸水室内的空化初生。空泡并不严重只是在出口出现少许空泡。随着NPSH的降3.2.4泵体沿吸水室隔舌中间断面静压分布低,当泵发生严重空化,即泵叶轮进口区域严重堵塞时,吸水室为了更为全面地观察整个泵系统的空化发展情况,图8采内才会产生大量的空泡发生严重的空化现象这说明吸水室取图8a)所示的切隔断面,分析泵在不同NPSH时的压力分内的空化主要是由泵叶轮空化造成的,当泵叶轮流道发生严重布情况。堵塞,以致丧失做功能力后,空泡从叶轮进口向吸水室出口蔓由图8可知,随着NPSH2的不断降低断面的压力分布73.63630.913827541131501872-4262-99RGOGOHNPSH 9.5 m NPSH, 5 m NPSH, 2. 8 m NPSHa= 2 m NPSH, 1.5 m(a)断面切割示意图(b)断面静压分布图8不同NPSH4下泵体沿吸水室隔舌中间断面静压分布Fig. 8 Static pressure distribution at different NPSHa on intermediate cutting plane of pump出现明显的下降。当NPSH=5m时,某个叶片进口处开始现较大的空化低压区,泵的扬程才开始下降。这种现象说明,出现较大的低压区,对照图5,可以发现此时泵的扬程并没有开在空化的初生阶段,泵的能量特性曲线并无明显的变化,等产始下降,当NPSHm时,此时大多数叶片进口都已经出生的空泡覆盖过流部件的表面,并逐渐蔓延至出口时,泵的能双吸泵的空化性能研究刘东喜庄宿国王健等量特性曲线才会出现明显的变化此时空化已经发展到一定程4结语度,也就是说,空化的初生对泵的能量特性没有严重的影响3.2.5叶轮流道内总压分布本文选取一台双吸离心泵为研究对象,使用改进的湍流模为了研究离心泵内能量的传输过程,在叶轮流道内划分出型和空化模型对其进行了非空化与空化流数值模拟,并分别与9个断面,从接近叶片进口的断面I到接近叶片出口的断面试验结果进行对比,对比结果较为吻合这表明本文选用的计IX这样流道就被分为8个不同的区域,如图9所示。从这8算模型能够较好地预测双吸泵的能量特性以及空化特性个区域来分析叶轮内部的空化流场较为全面地研究了双吸泵内的空化流场。不仅分析了叶轮内空泡体积分数分布和吸水室内空泡分布,还对泵体沿吸水ⅨⅧⅦ室隔舌中间断面静压分布和叶轮流道内总压分布进行了仔细的研究。研究结果明确了泵性能下降的主要原因是空化的发展,且数值计算能够较为真实地反映双吸泵的空化性能,从而为泵的优化设计提供参考参考文献[1]刘厚林,刘东喜,王勇,等.泵空化流数值计算研究现状及展望[J].流体机械,2011,39(9):38-44[2]刘厚林刘东喜,王勇等.三种空化模型在离心泵空化流计算中的应用评价[].农业工程学报,2012,28(16):54-59[3] Liu Lijun, Li Jun, Feng Zhenping. a numerical method for simulation of attached cavitation flows []. International Journal for Nu-图9叶轮流道切割断面merical Methods in Fluids, 2006. 52(6): 639-658Fig. 9 Location of the analyzed flow sections[4] Okita K, Ugajin H, Matsumoto Y Numerical analysis of the infl首先求出各个断面总压的平均值,然后求出相邻断面间流ence of the tip clearance flows on the unsteady cavitating flows in道的压力增量绘制叶轮流道总压分布图,如图10所示。从图a three-dimensional inducer [J]. Journal of Hydrodynamics, 2009中可以看出,随着NPSH的不断下降叶轮的总压开始保持21(1):34-40.不变,当NPSH4下降到3m时,总压开始下降,且总压的下降[5]李军,刘立军,丰镇平附着空化流动下离心泵水力性能数值预测[]西安交通大学学报,2006,40(3):257-260.基本位于上游断面I一Ⅳ,而下游断面Ⅵ一Ⅸ基本不受空化的[6]杨敏官,姬凯,李忠轴流泵叶轮内空化流动的数值计算[J影响。这充分说明了当泵发生空化时,最低压力点首先出现在农业机械学报,2010,41(1):11-14.叶片进口处,泵首先在叶轮进口发生空化,然后向整个流道[7] Zhou Lingjiu, Wang Zhengwei. Numerical simulation of cavitat蔓延。around a hydrofoil and evaluation of a RNG k-e model [].Journof Fluids Engineering, 2008, 130(1):1[8]舒敏骅,刘厚林谈明高等.不同比转数离心泵设计工况下湍流模型的适用性研究[]中国农村水利水电,2011,(2):142-145.[9] Coutier-Delgosha O, Fortes-Patella R, Reboud JL, et al. Stability of preconditioned Navier- Stokes equations associated with acavitation model[J]. Computers Fluids, 2005, 34(3):319rt P, Gerber A G, Belamri T. A two-phase model for prediccavitation dynamics[c]//Proceedings of ICMF 2004 Inter-109.58977976.956national Conference on Multiphase Flow, Yokohama, JapaNPSH /m2004:1-11.图10叶轮流道内总压分布图[ll Singhal A K, Athavale MM, Li H, et al. Mathematicaland validation of the full cavitation model[J]. Journal ofFig. 10 Repartition of the total pressure in the impellerEngineering,202,124(3):617-624≯于身》方》》》》》》》》》》》》】》2》》》》》》》》》》》》》》》》欢迎投稿欢迎订阅欢迎刊广告““+“十“+““+“