低比转速离心泵空化性能的数值模拟

典平鸽

(河南城建学院环境与市政工程系,河南 平顶山 467001)

离心泵是应用非常广泛的通用机械。在离心泵的设计和使用过程中,其空化性能通常是必须考虑的因素之一。离心泵在运行过程中,当泵内部局部位置的压力低于输送液体汽化压力时,就会有气泡产生,发生空化。当离心泵内部发生严重空化时,会引起泵外特性的改变,产生振动噪声以及引起过流部件的腐蚀破坏[1-2],因此有必要对离心泵空化发生时的内部流动、气泡分布规律及对泵外特性的影响等进行深入研究。

目前对泵进行研究主要有试验和数值计算[3-4]2种方法。试验是比较传统的研究方法,由于空化机理的复杂性以及空化试验费用高昂,对泵内部的空化进行试验研究进展缓慢。随着计算机技术的发展,应用ANSYS-CFD技术已经能够准确地对泵的空化性能进行预测以及对泵内部空化发生时的气液两相流进行分析[5-7]。本研究应用ANSYS-CFX软件,对比转速为66的离心泵在设计工况下进行了空化性能的数值计算和分析,得到了泵空化时内部气液两相流场的分布规律,对其在空化初生、临界空化余量和许用空化余量时内部气液两相的分布进行了研究和探讨,并对数值计算结果的准确性进行了试验验证。

1 泵的设计参数

采用单级单吸轴向吸入型离心泵。主要设计参数为:流量 50m3/h,扬程 50m,转速 2950r/min,比转速66。

2 数值计算模型和参数设置

计算区域由直锥形吸入室、四圆柱形叶片叶轮和螺旋形蜗壳3部分组成,为避免进出口速度梯度较大而影响计算结果,对吸入室和蜗壳出口进行了4倍管径延伸。应用ANSYS-CFX的前处理软件ICEM-CFD进行网格划分,吸入室流道采用结构网格划分,由于模型的复杂性,对叶轮和蜗壳流道采用核心六面体非结构网格,在曲率半径较小的部位采用了局部加密。吸水室、叶轮、蜗壳网格数分别为119408,436147,316061,网格总数为877 029。图 1为计算区域的网格。

图1 计算区域的网格

输送介质为25℃的清水,湍流模型选用较常用的标准k-ε湍流模型,空化模型为Rayleigh Plesset模型,25℃时水的汽化压力为3169Pa。近壁面处选用标准壁面函数,壁面边界条件设为绝热无滑移壁面,壁面粗糙度设为10 μ m。采用二阶离散格式对计算区域进行离散,计算精度设为高精度,收敛精度设为10-5。由于气泡发生时液体密度会发生变化,因此将泵内部的流动设为可压缩流动[8],在计算过程中考虑了热传导。

分析类型设为稳态,进口边界条件设为总压进口,通过调节进口总压,使泵内部发生空化。进口处水的体积分数设为1,气泡的体积分数设为零。出口边界条件设为质量出口控制模型的流量。叶轮与蜗壳、吸水室交界面用frozen-rotor interface连接。

3 数值计算结果分析

本文临界空化余量NPSHc为计算所得到的泵的扬程下降 3%时的有效空化余量[9],有效空化余量NPSHA按式(1)进行计算:

式中:ps为泵进口处介质流动的绝对压力,Pa;vs为泵进口处介质流动的平均速度,m/s;pv为与输送介质温度对应的介质汽化压力,Pa;ρ为输送介质密度,kg/m3。

3.1 空化初生

图2为最优工况空化初生时气泡在叶片表面的分布。从图2中可以看出,当空化初生时气泡分布在叶片进口背面靠近后盖板的一个很小的低压区域内。空化初生的位置即是离心泵叶轮的压力最低点[1]。当空化初生时,泵的NPSHA为17.53m,进口总压为175000Pa;而泵在最优工况下的数值计算得到的NPSHc为2.73 m,此时泵的进口总压为30000Pa,这说明该泵在进口压力很高的时候就已经发生了空化初生。但由于气泡只在叶片进口背面很小的局部区域内产生和破灭,因此并不会造成叶轮的空蚀破坏,也不会因气泡堵塞流道而影响叶轮内部的能量交换过程,从而引起泵外特性的改变。根据数值计算结果分析,泵在一般运行工况下均已发生了空化初生。

图2 空化初生时气泡在叶片表面的分布(NPSHA=17.53m)

3.2 临界空化余量时叶轮内气泡分布规律

图3为在最优工况点临界空化余量时叶片表面和叶轮内部的气泡体积分数。叶轮内部气泡体积分数是在CFD-Post中通过Iso-surface创建的气泡体积分数占20%时的等体积分数面。

图3 临界空化余量时叶片表面和叶轮内部气泡体积分数(NPSHc=2.73m)

从图3中可以明显看出:临界空化余量时气泡已经从空化初生时只分布在叶片的背面局部低压区域扩展到叶片工作面,占据了部分流道,并且气泡在叶片表面和叶轮内部的分布不具有对称性。

由于低比转速离心泵叶轮的流道狭长、内部液体流速高。因此当气泡产生时会迅速向叶轮流道和叶片表面扩散,在高压区域破灭。随着有效空化余量的降低,气泡的产生量将增加,其向出口部位的扩散程度也增加,从而改变了叶轮内部流动状态,造成对流道的堵塞,影响叶轮内部的能量交换过程,在外特性上表现为外特性曲线的下降。气泡在叶片表面和叶轮内部不对称分布是由于离心泵内部流动是低速流动,叶轮内的流动状态将会受到蜗壳等叶轮之后过流部件流动状态的影响。由于蜗壳的不对称,以及叶轮与蜗壳之间的漩涡、回流等引起的压力脉动等因素使叶片不同流道内部液体的压力分布不对称。根据对气泡在叶轮内部的分布可知,对于低比转速离心泵而言,如果泵长期在临界空化余量工况下运行,叶轮将会产生空蚀。

3.3 许用空化余量时叶轮内气泡分布规律

泵的许用空化余量为[NPSH]=NPSHc+k(通常k取0.3～0.5m)。本文在泵的许用空化余量为3.23m(k取0.5m)时,对叶轮内部流动进行了研究,得出了许用空化余量时叶轮内部气液两相的分布。图4为许用空化余量时叶轮内部气泡分布情况。

图4 许用空化余量时叶片表面和叶轮内部气泡分布(NPSHA=3.23m)

从图4中可以看出,许用空化余量时,叶片表面和叶轮内部的气泡体积分数较临界空化余量时已经减少很多,但是气泡仍占据部分流道,并在叶片的表面有少量分布,由于空化是一个包含有机械、物理、化学、电解等复杂的过程,空化初生在许用空化余量之前早已发生,并且k的取值并不确定。根据数值计算结果分析,如果低比转速离心泵在许用空化余量的工况下长期运行,有可能会造成对叶轮的空蚀。国外在叶轮水力设计时有NPSH40000h的概念[2],即泵运行40000h而不产生空蚀的空化余量,并进行了深入研究,文献[10]给出了经验公式。文献[11]推荐NPSH40000h为F与NPSHc的乘积,F为安全系数,F≈1.5(或2.0)(F在大流量时取大值,在小流量时取小值)。这对于国内流体机械行业对泵内空化深入研究具有一定的借鉴意义。

4 数值计算准确性验证试验

为了验证数值计算的准确性,按照标准[9]对该泵进行了空化试验。采用闭式试验台进行试验,通过真空泵控制吸入口的真空度,使泵发生空化,记录进出口压力、水温、轴功率、转速等试验数据。图 5为试验装置示意图。

图5 试验装置示意图

图6 试验与数值结果比较

图6(a)为最优工况时试验与数值计算得到的有效空化余量与扬程之间的关系曲线比较,图6(b)为不同流量时试验与数值计算得到的临界空化余量与流量之间的关系曲线比较。从图6中可以看出,该泵最优工况时试验与数值计算得到的临界空化余量分别为2.82m和2.73m,最大相对误差为 6.7%。产生误差的原因可能是泵的铸造误差、数值耗散误差、壁面粗糙度的设置等。从试验和数值计算结果来分析,数值计算具有较高的精确度。

5 结 论

a.通过对一台低比转速离心泵进行空化性能试验与数值研究,验证了应用数值方法预测泵空化的准确程度;对泵空化发生时的内部气液两相流场进行分析,得到了泵发生空化时叶轮内部气泡的分布规律。

b.通过对泵的空化初生、临界空化余量、许用空化余量时叶轮内部气泡分布规律的研究,指出低比转速泵在进口压力较高时已经发生了空化初生;泵在临界空化余量和许用空化余量运行时,气泡在叶轮内部分布较多,有可能对叶轮产生空蚀破坏。研究成果对进一步深入研究离心泵空化具有一定的参考价值。

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