液货泵输送粘液的性能仿真与经验修正对比分析

沈飞，杨勤，罗力，黄书才，王建国

液货泵输送粘液的性能仿真与经验修正对比分析

沈飞，杨勤，罗力，黄书才，王建国

以一台比转速为69的潜没式液货泵为对象，仿真计算其输送清水以及5种不同油介质时的性能，得到不同介质下的扬程曲线和效率曲线。结果表明，介质的粘度对离心泵的性能有明显的影响，随着介质粘度的升高，泵的扬程会降低，效率则降低更多；粘度还会改变泵的高效点，使高效点往小流量偏移。针对工程问题，推荐一种离心泵输送粘液的经验修正方法，与仿真结果对比，该方法能够满足工程应用的需求。

潜没式液货泵；粘度；性能曲线；经验修正

潜没式液货泵是在FPSO、油船、化学品船等液货船上应用最广泛的设备。通常采用一舱一泵的布置方式安装于货舱底部，舱室之间完全隔离，因此理论上液货船有多少个舱室就能储卸多少种货品。典型的潜没式液货泵的结构形式是单级单吸离心泵，通常输送的介质会多种多样，有原油、成品油和化学品等，这些介质的粘度通常比清水大，但密度同清水比可大可小。

计算流体力学(CFD)技术是科研领域和工程领域内研究泵内湍流流动非常便利实用的工具。文献[1-6]利用CFD计算工具分析了离心泵在输送清水时的性能与内部流动特点，并用于指导离心泵的设计优化。但这些文献中并未涉及其他流体介质，实际上，目前大部分学者采用清水为介质来研究离心泵内部流动规律，对其他粘度介质的研究很少，且即使研究了其他粘度介质，不同学者所揭示的不同介质下的流动规律有相互矛盾的地方，例如，文献[7]指出粘度不会影响离心泵内部流动规律和外特性曲线的趋势走向，但文献[8-9]却发现粘度变化会引起外特性曲线的变化，会引起“扬程突升”现象。通过对比发现，这种矛盾产生的原因在于两位学者对于所研究介质的粘度值选取不同。文献[7]研究的介质最大运动粘度为8.4 mm2/s(以下简称“粘度”)，文献[8-9]研究的介质最大粘度为60.7 mm2/s，二者粘度差别较大，但二者最大粘度均未超过100 mm2/s。由此，对于经常输送粘度比水大很多的介质(可能达到367 mm2/s)的离心泵，如潜没式液货泵，研究其在不同介质下的性能是非常必要的。

1 计算模型与方法

1.1 计算域几何模型

自主设计的潜没式液货泵其设计参数为流量Q=1 000 m3/h，转速n=1 550 r/min，扬程H=150 m，必须汽蚀余量NPSHr=6 m，比转速ns=69。几何模型见图1。

1.2 介质物性参数

用于模型泵计算的液体介质及其物性参数见表1。所输送的液体均为牛顿型流体，非牛顿型流体不在本文的研究范围之内。

表1 介质物性参数表

1.3 计算方法介绍

CFD数值计算选取非结构化四面体网格和结构化六面体网格相结合的混合网格对计算模型进行离散，近壁面区进行网格加密处理。利用CFX软件进行定常计算，选择SSTk-ω湍流模型，计算时入口条件设置为总压，出口条件设为质量流量出口，壁面采用无滑移固壁边界，收敛精度设为10-5。计算不同介质泵的性能时，仅改变介质的物性参数，其他设置均相同。

此外，针对工程问题，文中利用实例介绍了一种经验修正计算方法，可快速准确的得到离心泵输送不同介质时某一工况点的性能。

2 仿真结果与讨论

2.1 不同介质对泵水力性能的影响

图2为模型泵在输送清水、油1、油2时的扬程曲线。由图2可见，3种介质下的扬程曲线不重合，但趋势基本一致，这说明介质对泵水力性能是存在影响的，泵输送清水时的扬程要高于输送其他介质的扬程。具体是介质密度还是粘度影响了泵的性能，待下一步详细分析。

2.2 介质密度对泵水力性能的影响

油2和油3的粘度相同，密度不同，因此将这2种介质的计算结果进行比较来讨论介质密度对泵水力性能的影响。

图3是模型泵在输送油2、油3时的性能曲线。由图3可见，在保持其他参数不变和忽略计算误差的情况下，不同介质密度下的扬程和效率曲线基本重合，说明了泵的扬程、效率参数与介质的密度没有关系。实际上，只有功率是随着密度增大而增大的[10]，且有如下关系。

(1)

式中：下标w为清水下的值；下标c为实际介质下的值；P为功率；ρ为介质密度。

2.3 介质粘度对泵水力性能的影响

油1、油3和油2、油5两组介质的密度相同，粘度不同，因此将这2组介质的计算结果进行比较来讨论介质密度对泵水力性能的影响，同时加入一组中间介质油4来分析变化趋势。

图4是模型泵的扬程曲线。由图4可见，油3比油1的粘度大，油3对应的扬程比油1的小；油5比油2的粘度大，油5对应的扬程比油2的小。因此，粘度引起了泵扬程的降低，输送介质粘度越大，泵的扬程就越低，通过加入油4对应的扬程曲线对比，发现粘度所引起的泵扬程降低并不是线性变化的，具体规律目前还无法揭示。

图5是模型泵的效率曲线。由图5可见，粘度增大会降低泵的效率，粘度越大，泵的效率下降越多，这与粘度对扬程影响规律是一致的。另外，粘度增大到一定程度时会改变泵的高效点，使高效点往小流量偏移。图5中油1、油2、油3对应的最高效率点还是在额定流量1 000 m3/h左右时，但是随着粘度的增大，油4、油5对应的泵最高效率点前移到了流量900 m3/h左右时，而且可以看出随着粘度继续越大，高效点有继续往小流量方向偏移的趋势。

3 经验修正方法计算实例

工程实际应用中，需要快速了解泵在输送不同介质时某一工况点的性能，数值仿真虽能够计算出泵在输送不同介质时的性能曲线，但这一过程需耗费的时间较长。文中采用文献[12]提供的离心泵输送粘性介质性能经验修正计算方法，快速计算模型泵额定工况点的性能，并与仿真值进行对比分析。

3.1 经验修正方法简介

经验修正方法计算粘液性能时完全采用数学公式，避免了因插值法产生的误差，另外通过对大量实验数据处理，引入了参数B，它综合考虑了泵的雷诺数和比转速对泵性能修正的影响，使计算结果更接近真实值。新经验修正方法计算步骤如下：

已知条件为离心泵输送清水时的性能和所输送粘液的粘度与密度。

步骤1。由已知参数计算参数B。

(2)

式中：QBEP-W为清水时最高效点流量，m3/h；HBEP-W为清水时最高效点扬程，m；υ为介质粘度，mm2/s；n为泵转速，r/min。

步骤2。计算流量修正系数CQ和输送粘液的流量。

步骤3。计算扬程修正系数CH和输送粘液的扬程。

步骤4。计算效率修正系数Cη和输送粘液的效率。

3.2 实例计算结果

以模型泵输送清水时的性能作为已知条件，利用经验修正方法计算模型泵输送油5时额定工况的性能见表2。

由表2可见，输送粘液的性能比输送清水时的性能要低，这一规律与数值仿真计算的规律保持一致。

3.3 与仿真结果对比

将表2中的经验修正方法计算值与数值仿真计算出的模型泵输送油5时额定点的性能进行对比，见表3。

表2 输送粘性介质性能修正计算

表3 输送粘性介质性能对比

由表3可见，2种计算的结果均表面粘度会使离心泵的性能降低，粘度对流量、扬程的影响基本一致，对效率的影响最大。

经验修正计算值与仿真值间存在一定的误差，但误差较小，流量扬程误差均不超过5%，效率误差不超过10%，对于工程化的问题，这一误差能够满足精度要求。

4 结论

1)输送介质的粘度对离心泵的性能影响比介质的密度大，随着介质粘度的升高，泵的扬程会降低，耗功会增加，效率也会随之降低，且降低得更多。粘度还会一定程度的改变泵的高效点，使高效点往小流量偏移。

2)针对工程问题，推荐了一种离心泵输送粘液的经验修正计算方法，通过实例将应用该方法计算的结果与数值仿真结果进行了对比分析，结果表明，2种方法得到的粘液性能变化规律一致，二者误差较小。经验修正计算方法能够快速准确的得到离心泵输送粘液时的性能，满足工程化的应用需求。

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(武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084)

Simulation and Empirical Correction Contrastive Analysis of Cargo Pump Performance in Transportation of Viscous Liquid

SHEN Fei, YANG Qin, LUO Li, HUANG Shu-cai, WANG Jian-guo

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

With a specific speed of 69 submerged cargo pump as the research object, the pump’s transportation performance was simulated for water and 5 different oil mediums, to get the head curves and efficiency curves for all mediums. The results showed that the viscosity of the medium has a significant impact on the performance of centrifugal pump, as the viscosity increases the pump head is reduced, efficiency is reduced more quickly, and viscosity also alters the best efficiency point of the pump, make the point move to the small flow rate. For engineering issues, an empirical correction method for centrifugal pump transporting viscous liquid was recommended, by comparing the simulation results, it was found the empirical correction method can meet the needs of engineering applications.

submerged cargo pump; viscosity; performance curve; empirical correction

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.021

2016-09-07

工业和信息化项目(工信部联装[2013]411号)

沈飞(1987—)，男，学士，工程师研究方向:流体机械设计

U664.5

A

1671-7953(2017)01-0083-04

修回日期：2016-10-25