多级离心泵级级长叶片复合叶轮流动特性分析

多级离心泵级级长叶片复合叶轮流动特性分析

多式联运泵是一种常见的高流量泵，叶片是多式联运泵的重要过流部件。叶片的设计在整个泵的性能和优点方面发挥着重要作用。而多级离心泵是将具有同样功能的两个以上的泵集合在一起,第一级的介质泄压口与第二级的进口相通,第二级的介质泄压口与第三级的进口相通等,依次重复,而首级叶轮作为流体先进入通道,对整个泵的性能影响巨大,因此是多级泵叶轮设计的关键。近年来,随着计算机技术和流体动力学的发展,利用CFD对叶轮内流场进行数值模拟已成为泵优化设计的重要方法[3~8]。鉴此,本文基于CFD技术,对首级叶轮的两种设计方案进行了数值模拟,并探索其性能的优劣。1几何模型和网格的划分1.1两种设计方案比较多级泵首级叶轮的设计参数:流量为800m3/h,扬程为105m,转速为1480r/min,比转速为78,为低比转速。综合考虑设计方案中泵扬程、效率及抗汽蚀性能等因素,在不计叶片排挤系数影响的条件下对两种设计方案的优劣性进行比较。首级叶轮的轴面截线图和木模图见图1。通过已给参数设计出三长三短(方案1)及四长四短(方案2)叶轮,两种叶轮叶片数不同,其他参数均相同。运用三维绘图软件PROE对两种叶轮进行建模,流道结构示意图见图2。1.2网格无关解验证运用Gambit软件对叶轮模型进行网格划分,在叶片进口部位手动网格加密,先利用四边形网格对叶片进口处进行面网格划分,再采用非结构化网格T-Grid划分整个叶轮,划分过程中采用不同尺寸进行划分,并在综合考虑精确性及计算时间下选取最佳划分方法,见表1。三长三短的各种网格划分取网格尺寸Size为7.5。通过网格无关解验证可得,划分网格满足计算精度。四长四短网格尺寸Size取5,同理可得网络划分满足计算精度。1.3出口类型(1)边界类型。(1)进口类型为velocityinlet,命名为inlet;(2)出口类型为outflow,命名为outlet;(3)短叶片的面类型为wall,命名为short-blade;(4)长叶片的面类型为wall,命名为long-blade。(2)体类型。每个叶轮的volume只有一个,类型为fluid,命名为impeller。2密度对微元体上的压力和温度分布由文献可知,质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程分别为:式中,ρ为密度;t为时间;u为速度矢量;F为作用在微元体上的体积力;P为流体微元体上的压力(静压);T为温度;k为传热系数;cp为比热容;S为粘性耗散。3运动粘度ms本数值模拟在额定工况下以清水为介质,介质密度为998.2kg/m3,运动粘度0.001003kg/(m·s)。在保证两方案运行工况相同的前提下分别分析了静压分布、相对速度矢量分布,并比较了两种设计方案下泵的性能。3.1静压力分布不均匀,对比图3为两种设计下的首级叶轮静压力分布,图4为总压分布。由图可看出:(1)相同半径时叶轮工作面压力大于背面压力,静压和总压在叶片进口附近最小,且随半径的增加压力呈一定梯度的向外增加。(2)方案1静压力分布不均匀,尤其在叶片进口处压力变化梯度不明显。方案2静压力梯度要均匀得多,且出口静压力达到0.6MPa,比方案1的10.5MPa有很大提升,这将有助于提高泵的扬程。(3)方案2总压力分布的低压区范围较方案1小,最低压力也高于方案1,所以方案2减小了叶片与介质互相作用时汽蚀现象,提高了叶轮与输送介质之间的能量交换效果,从而提高了泵在输送介质时的效率,并确保了设备的安全运行。上述分析说明叶片数对泵的扬程、汽蚀性能、效率均有一定的影响,在考虑叶片排挤系数和流道摩擦的前提下,增加叶片数可提高泵的扬程和减少汽蚀的产生,使泵安全稳定运行。3.2工作面在相对速度上的影响图5为两种设计方案在额定工况下的相对速度分布。叶轮内介质由于受叶片的作用,介质从进口到出口随半径的增加相对速度加大,在叶轮出口处达到最大。在叶轮进口处,工作面与背面相对速度基本相同,而随半径增加,由于受轴向漩涡的影响,工作面相对速度大于背面相对速度。由图5可看出:(1)方案1因采用了复合式叶轮,回流、脱流现象得到了有效抑制,但内部流场不够均匀,甚至出现紊乱趋势,在小流量下这种趋势将转变为回流现象,从而影响泵性能。(2)方案2内部流场有相当大改善,整个流场相对速度过渡平缓,且最大相对速度值达到3.73m/s,较方案1中最大相对速度值3.06m/s提升效果明显,达到了优化目的。3.3种设计方案比较图6为叶轮的湍动能分布。由图可看出:(1)两种设计方案叶轮内部的湍动能总体上分布均匀,但在叶片进口处存在大梯度的湍动能分布区域,分布极不规律,这将导致极大的能量损失。(2)比较两种设计方案,方案1的大梯度湍动能分布区域方案2的区域明显小,这与增加叶片的排挤和表面摩擦有关。(3)方案1最大湍动能达到5.24J,比方案2的5.15J大,且方案1的大梯度湍动能区延伸到短叶片背面的中部。虽方案2大梯度湍动能区域大于方案1,但综合前面压力与速度的分析和最大湍动能数值、分布情况,方案2明显改善了叶轮内部流场的分布。4叶轮扬程和水力效率CFD中可利用叶轮进口总压Pin与出口总压Pout的水头差计算扬程:式中,Δh为泵进出口到基准面的高度。根据Fluent中Report-Forces菜单中Moments得到的扭矩T值可求得首级叶轮效率:根据式(4)、(5)可计算叶轮不同工况点的扬程、水力效率,并进行数据整理,绘出曲线分别见图7、8。由图可看出:(1)方案2在不同流量点的扬程均大于方案1的扬程,且曲线下降平缓,这与压力分析相符。(2)在小流量时两种方案的效率差异并不明显,随着流量的增加到达额定工况后方案1效率开始呈下降趋势,形成泵流量效率性能曲线特有形状,而方案2在流量到达额定工况后效率依然增加,达到120%流量时才开始下降,从而提高了叶轮的高效工作区范围,改善了泵的性能。5叶轮及叶片数a.在流体动力学Fluent软件的基础上,对低比转速多级离心泵首级叶轮两种设计方案进行了数值模拟,四长四短叶轮可改善叶轮内部流场、提高整泵效率,比三长