三级林用消防泵内部流场模拟及分析

郑楠，茹煜*，汪东，丛静华

(1.南京林业大学机械电子工程学院，南京210037；2.南京森林警察学院，南京210023)

三级林用消防泵内部流场模拟及分析

郑楠1，茹煜1*，汪东2，丛静华2

(1.南京林业大学机械电子工程学院，南京210037；2.南京森林警察学院，南京210023)

林用消防泵在森林防火作业中是一种效率高、应用广泛的灭火装备，泵内流体在湍流运动过程中的各物理参数，如速度、压力、温度等都是随时间与空间而随机变化的，是个随机的非线性过程。为了更好地设计满足复杂条件下的林火迅速扑救的大流量、高扬程、质量轻的便携式林用消防泵，在结构设计的基础上进行了泵内流场模拟，分析了林用消防泵的三级提压工作原理。运用FLUENT软件首次模拟了Q为62，105，175，262和340 L/min工况时的三级林用消防泵内部流场，建立了5种工况三级森林消防泵的整机流域模型，并根据模拟结果预测了泵的扬程。相比其他工况，处于流量Q=175 L/min工况时的整机流场压力分布比较合理，叶轮流域、叶轮蜗壳耦合区域以及蜗壳流体区域的作用效果都比较好，流体流动比较稳定。此外，搭建了水泵性能测试系统，开展了5种流量工况条件下的水泵性能试验，将测试计算结果与模拟预测值进行了对比分析。结果显示，模拟预测的扬程与试验计算扬程基本吻合，表明运用FLUENT软件所建整机流域模型对三级林用消防泵的工作性能模拟预测是可行的。同时，在流量Q=175 L/min时，其射程达到117.68 m，满足便携式林用消防泵的设计要求，可以达到远距离灭火的目的。

计算流体力学(CFD)；林用消防泵；流场模拟；工况分析

森林火灾不仅会造成森林破坏，还会给国家和社会带来巨大的经济和生态损失。以林用消防泵、林用消防车作为载体的水灭火方式，可以实现流体的远距离、高射程输送，有效控制和扑灭森林火灾[1]。但目前我国主要采用的是城市和工矿消防用的泵，往往由于其射程低(<80 m)、质量大(发动机功率>8 820 W，发动机功率越大，整机质量就越大)，不足以满足森林消防需要[2]。因此，研制大流量、高扬程、质量轻的便携式林用消防泵非常必要。

林用消防泵属于多级离心泵，泵内流体在湍流运动过程的各物理参数，如速度、压力、温度等均随时间与空间而随机变化的，是个随机的非线性过程[3]。若水泵过流部件水力设计得不合理，在离心泵运行过程中会出现明显的分离流、回流和二次流等复杂的流动现象，它们将会影响到泵整机性能[4]。因此，此次研究针对所设计的便携式三级提压林用消防泵，采用FLUENT软件对流域模型进行数值模拟，分析不同工况下三级林用消防泵的内部的流动规律，并对三级林用消防泵的工作性能进行预测，并将预测结果与实验结果进行比较分析，为进一步优化林用消防泵结构，提高其工作性能奠定理论基础。

1 三级林用消防泵内部流场建模

为了实现林用消防水泵大流量、高扬程、质量轻的需求(即在5 880 W动力条件下，水泵不少于110 m扬程时，流量不少于90 L/min，质量小于30 kg)，林用消防泵采用了三级提压技术，具体结构如图1所示。

1. 泵体；2. 螺纹口；3. 一级加压叶轮；4. 导叶；5. 二级加压叶轮；6. 三级加压叶轮；7. 底座；8. 主轴图1 三级提压消防水泵装备图Fig. 1 Diagram and photo of the triple-stage fire pump

消防泵泵体由蜗壳、三级叶轮、导叶、底座、主轴等几部分组成。泵体全部采用铸铝件，整个消防泵的质量在25 kg左右，实现了消防泵的质量轻要求。该叶轮为径流式叶轮，它是由前、后盖板和盖板之间的叶片组成。工作时，当发动机带动主轴上的第一级加压叶轮高速旋转，充满在第一级加压叶轮内的液体，从叶轮中心沿着叶片间的流道甩向叶轮的四周，压力和速度同时增加，液体受到叶片的作用，将经过第一级导叶的流道引向次一级的叶轮。第二级加压叶轮接收到来自第一级导叶引入的流体，在第二级叶轮离心力作用下甩向叶轮的四周，流体继续被第二级导叶流道引导流向次级，随着叶轮级数的增加，流体的动能和压能也逐级增加。当流体进入泵壳之后，由于蜗壳型泵壳的流域逐渐扩大，流体的流速开始逐渐降低，一小部分的动能转化成静压能，其余的动能便让流体以较高的压强从泵出口排出。

1.1 建立部件流域模型

由于FLUENT软件对水泵的数值模拟并非水泵的叶轮，导叶以及蜗壳的实体，而是水流流过以上部件的区域。因此在实体模型的基础上，采用布尔运算[5-7]，分别对各个部件模型进行布尔运算，得到各级叶轮、导叶、蜗壳、蜗壳叶轮耦合处等各个流域模型，在不影响总体流域的情况下，将各级流域在同一轴上按照一定的规律进行叠加，形成三级流域，最后将三级流域与耦合处流域进行拟合，形成三级林用消防泵的整机流域模型，如图2所示。

图2 三级森林消防泵的流域模型Fig. 2 The watershed model of the triple-stage forest fire pump

1.2 设置过流部件流域的边界条件

考虑到离心泵整机流场的复杂结构，上述PRO/E流域模型导入到ICEM，采用了Tgrid方法进行了四面体非结构网格划分，并依据每个过流部件流域设置了边界条件。根据离心泵进口流道特点，采用速度进口边界条件[8]；在出口边界中选用出流无滑移作为边界条件[9]；在壁面上有平动或者转动时，定义一个切向速度分量作为边界条件[10]；将转动壁面的移动速度设为零；设置蜗壳的内表面为静止的壁面[11]。由于叶轮流体区域分为旋转区域和蜗壳流体的静止区域两部分[12]，因此，本研究采用了FLUENT中动静区域的多参考坐标系耦合模型[13-15]，即为MRF(multiple reference frame)模型。根据以上边界条件的定义，本研究对叶轮流域以及整机流域进行了边界条件设置和网格划分，叶轮流域的网格总数是9 493个，节点为1 708，网格质量0.45；整机流域的网格总数为28 479个，节点总数为5 123个，网格质量为0.42，最小的网格为0.027，最大的网格为1.2，能被所选择的求解器解出，具体见图3。

图3 边界条件Fig. 3 Boundary conditions

1.3 整机流场模拟及分析

本研究三级提压离心泵基本参数为：叶轮的叶

片数为Z=5，叶轮进出口直径分别为D1=42 mm、D2=75 mm，设定泵流量Q=175 L/min，泵的转速n=6 000 r/min，泵的入口压力p=101 325 Pa，即为大气压力。输送流体为标准状态下的水，密度为1.09×103kg/m3，流体黏度为0.000 8 Pa·s。将上述定义好的参数置入FLUENT中进行运算模拟，本研究选用的湍流模型是Realizablek-ε模型，采用SIMPLE算法进行流场数值计算；两者的结合，可以计算较为复杂的湍流运动，并能较为准确地预测湍流运动情况。

三级林用消防泵整机流域速度及压力矢量分布图见图4。Q=175 L/min工况时，三级林用消防泵整机内部流场速度矢量分布图见图4a。可以看出，在三级林用消防泵的工作过程中，流体的最大流速出现在叶轮蜗壳耦合面处，最小流速出现在叶轮的进口附近。叶轮内部和蜗壳出口处的流场分布比较好，没有出现大量的速度不均匀现象，相对速度比较稳定。流体从叶片进口开始到叶片出口，相对速度逐渐增大，叶轮蜗壳耦合面处速度达到最大，蜗壳内流动相对平稳，伴随着叶轮的旋转，顺着蜗壳导流方向速度不断升高，到达泵的出口位置，相对速度才逐渐减小，同时也可以看出蜗壳出口速度也比较均匀。Q=175 L/min工况时，三级林用消防泵整机内部流场压力分布图见图4b。可以看出，在整机内部流场内分有高压区和低压区，高压区主要分布在叶轮蜗壳的耦合面处和蜗壳流体区域，低压区主要分布在叶轮流动区域和叶轮进口区域。流体的压力分布比较均匀，从叶轮进口到蜗壳出口，沿着出流方向压力呈现逐步增加的趋势。此外，在叶轮蜗壳耦合面与蜗壳流体交界处，即蜗舌处，出现一定的低压区，主要原因是因为蜗舌处的流体流动比较紊乱，流体间的运动发生互相抵触导致的。

图4 整机流域速度及压力矢量分布图Fig. 4 Velocity and pressure vector distribution in the whole flow field

1.4 不同流量工况下整机流场模拟分析

1.4.1 整机流场速度模拟及分析

4种不同工况下的离心泵整机流场模拟速度分布见图5。对比分析可知，整体上泵内的速度分布状况较为一致，但不同流量下各个区域的速度大小不一致，随着进口流量的增加，离心泵整机的出口流速在逐渐地减小，这个符合流体在离心泵内部的运动规律。当进口流量较小时，如图5a、b所示，在流量为0.35Q和0.60Q的工况下，水泵的流速在蜗壳流体区域变化很快，到蜗舌附近处明显看到速度变化已经达到最大。特别在0.35Q的情况下，在靠近蜗舌位置的叶轮流域中，由于进口流量小，叶轮的旋转速度很大，流体在这个部位的流动很不稳定，速度变化量极快，到达蜗壳出口时，速度已经降低。当进口流量过大时，如图5d所示，在蜗壳流体区域局部会出现冲击速度很大的状况，而且流体在大流量的工况下运动规则紊乱。相比0.35Q、0.60Q、1.50Q和2.00Q的工况，在流量为1.00Q的工况下，离心泵的整机内部速度流场较为规则，流动相对稳定，处于合理的分布状况，从而在Q=175 L/min工况时，离心泵的工作性能能达到最好。

图5 不同工况下整机流域速度矢量分布图Fig. 5 Velocity vector distribution in the whole flow field in different cases

1.4.2 整机流场压力模拟及分析

4种不同流量工况下的离心泵整机压力分布见图6，对比分析可以看出，随着流量的增加，离心泵整机内的流体的压力是在逐渐减小的。由图6a、b可见，在小流量工况下压力分布很不均匀，不同区域所产生的压力梯度较大，高压区与低压区分化得较为严重，同时流量越小，叶轮进口的负压部分就越多，越容易产生回流气蚀现象。在蜗壳流体区域，特别是蜗舌与蜗壳流体背面压差较小，压力变化不是很大，但相比叶轮蜗壳耦合面，压差较大。由于蜗壳对于流体将动能转化为压能的过程中起到明显的作用，这种较大压差会使得蜗壳耦合面与蜗壳流体交界处的压力损失增大，从而引发压力过低的现象，蜗舌处压力过小且下降速度过快都会引发气蚀现象，这种状况会直接影响到离心泵的外特性性能。从图6c、d中可见，随着流量的增大，流体在蜗壳内局部出现高压区，与小流量工况类似，产生的压力梯度较大，从而使能量损失较大。相对于0.35Q，0.60Q，1.50Q和2.00Q，在Q=175 L/min工况时，整机的压力分布较好，蜗壳的增压作用比较强，压力沿着流体流动的方向逐步增加，而且压力的梯度较小，强度相对稳定。

图6 不同工况下整机流域压力矢量分布图Fig. 6 Pressure vector distribution in the whole flow field in different cases

1.5 扬程预测

通过FLUENT中的表面积分功能，可以模拟得到三级林用消防泵的进出口压力值，以及进出口处的速度，根据公式(1)可以预测泵的扬程，即泵出口的总水头与进口总水头之差[16-17]。

(1)

式中：pout为泵的出口位置处的压力，Pa；pin为泵的进口位置处的压力，Pa；vout为泵的出口速度，m/s；vin为泵的进口速度，m/s；ρ为流体密度，取998.2 kg/m3。

2 三级林用消防泵的性能试验及分析

2.1 试验方法

为验证上述模拟结果，自行设计试验装置，主要包括：试验台架、油箱、直径为40 mm水管、流量控制阀门、压力表、真空表、流量计、转速计等。试验台架采用型钢焊接而成，主要起支撑作用。工作时，各个仪表校零，启动发动机，调节流量控制阀，水泵从水源抽水并将水经过三级林用消防泵输送至喷头后喷出。通过流量计、压力表可以获得不同流量条件下入口压力、出口压力及扬程。试验时，通过转速计将发动机转速控制在6 000 r/min左右。

2.2 扬程计算

在上述试验系统中，已知流量Q和水管的直径D的情况下，速度v1可以用下面公式计算：

(2)

在进口截面处装上真空表，在出口截面处装上出口压力表，根据伯努利方程[18]：

(3)

式中：下标1表示进口截面；下标2表示出口截面。

由于进口截面1和出口截面2的距离很短，就可以忽略摩擦损失Hf，于是：

(4)

式中：z1为进口截面处真空表的安装高度，m；z2为出口截面处压力表的安装高度，m，由于本研究中进出口真空表与压力表安装在同一水平高度，所以z1=z2；p1为进口截面处真空表的压力值，Pa；p2为出口截面处压力表的压力值，Pa；v1为进口截面处的水流速度，m/s；v2为出口截面处的水流速度，m/s；p1、p2、v1、v2均可以通过试验直接获得，其中预测值为模拟仿真得到的数据。

2.3 试验及模拟结果分析

通过对不同工况下扬程的预测与实验数据的比较分析(表1)可知，流量为0.35Q～1.50Q试验值和模拟预测值的扬程误差均在合理的范围之内(<5%)。当流量为2.00Q时，误差为10.40，超过5%，这主要是因为泵内汽蚀所引起的，另外原因是当流量越大，单位管道所受的重力较大，会有部分管道因为重力作用有所滑动，导致所测扬程偏差较大。通过模拟计算的三级林用消防泵在不同工况流量下的扬程与通过试验计算出的扬程变化趋势基本一致，说明前文所述的模拟方法和过程是可行的，这为进一步优化设计三级林用消防泵提供了新的方法。

表1 不同工况下消防泵扬程的试验和模拟结果比较Table 1 Comparison of the tested fire pump lifts with the simulation results under different conditions

研究结果显示，随着流量的增加，扬程呈现下降的趋势，当流量为62 L/min时，可达到最大扬程175.84 m，考虑发动机的实际工况条件，选择Q=175 L/min工况时，117.68 m的射程、175 L/min的流量满足了林用消防泵大流量、高射程的需求，能够达到远距离灭火的目的。此外，从泵内部流场模拟分析结果可知，在Q=175 L/min工况下工作，可以更好地发挥泵的性能，提高泵的使用寿命。

3 结 论

1)基于标准的Realizablek-ε湍流模型，通过用FLUENT软件对三级林用消防泵的整机流场进行数值模拟计算，其内部流场模拟计算出来的速度压力分布状况整机的工作特性是一致的，符合其规律。

2)通过对5种不同流量工况下三级森林消防泵的整机流场模拟比较可知，随着流体流量的增加，三级林用消防泵的整机流场压力与出口速度都在不同程度上有所下降；相比之下，处于流量Q=175 L/min工况时的整机流场压力分布比较合理，叶轮流域、叶轮蜗壳耦合区域以及蜗壳流体区域的作用效果都比较好，流体流动比较稳定。

3)搭建了水泵性能测试系统，并开展了不同流量工况条件下的水泵性能试验，将测试结果与模拟预测值进行对比分析，模拟预测的扬程与试验扬程基本吻合，说明基于FLUENT软件对三级森林消防泵的工作性能模拟预测具有一定的可靠性和参照性。同时，额定工况条件作业时，117.68 m的射程、175 L/min的流量能够达到便携式林用消防泵远距离灭火的目的。

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Flow field simulation and working condition analysisof triple-stage forest fire pump

ZHENG Nan1, RU Yu1*, WANG Dong2, CONG Jinghua2

(1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;2. Nanjing Forest Police College, Nanjing 210023, China)

Forest fire pump is a kind of firefighting equipment with high efficiency and wide application. The physical parameters of the turbulent flow in the pump, such as velocity, pressure and temperature, change randomly over time and space, and the movement is considered a non-linear stochastic process. The purpose of this study was to design a portable forest fire pump characterized by large flow, high lift, light weight and quick firefighting under complex conditions. The flow field in the pump was simulated based on the structural design and the principle of triple-stage pressure increasing of forest fire pump was analyzed by using flow field simulation method. The flow field of the triple-stage forest fire pump was simulated by using the FLUENT software, and the flow field models were established under five flow rate conditions, i.e., 62, 105, 175, 262 and 340 L/min. The lift of the pump was predicted according to the simulation results. When the flow rate was 175 L/min, the flow field pressure distribution was reasonable, the performance of the impeller basin, impeller volute coupling region and volute fluid region were good, and the fluid flow was relatively stable. The pump performance test system was built and tested under these five flow conditions. By comparing the test results with the simulation values, the results showed the simulated pump lift was similar to the test results. It indicates that it is feasible to use FLUENT software in working performance simulation and prediction of the triple-stage forest fire pump. Meanwhile, the flow rate of 175 L/min and lift of 117.68 m can meet the design requirements of the portable forest fire pump and can achieve the purpose of remote fire extinguishment.

CFD; forest fire pump; flow field simulation; operation condition analysis

2016-03-31

2017-03-10

林业科技成果国家级推广项目([2017]30号)；江苏省“333工程”科研项目资助计划(BRA2016429)；江苏省“青蓝工程”项目；江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)。

郑楠，男，研究方向为森林防火技术与装备。通信作者：茹煜，女，教授。E-mail:superchry@163.com

S23；S77

A

2096-1359(2017)03-0124-07