气-液两相条件下叶轮开孔对高速离心泵的影响

高 豪，王彦伟

武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉430205

在气-液两相高速离心泵的结构设计中，使用开孔叶轮可显著提高离心泵外特性及使用年限［1］，其具体作用是将叶轮出口的高压流体通过叶轮盖板上开设的回流孔导入叶轮内将滞留的气团剪碎、冲走，从而降低离心泵因气体的大量积聚而发生汽缚、汽蚀的可能性。叶轮开孔作为一种常用的两相流离心泵设计手段，对于减轻离心泵气缚气蚀现象有良好的作用。胡赞熬等［2］选取一普通离心泵作为研究对象，对模型进行全流道三维定常湍流空化数值模拟，分析离心泵叶轮开孔对空化性能的影响。杜梦星等［3］运用遗传算法对模型进行寻优，得到最优叶片参数，取优化后叶片参数进行计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）数值模拟分析。夏丽等［4］利用计算流体力学分析方法对带回流孔的自吸泵进行数值模拟，研究回流孔附近的流动特性。同时有学者对叶轮开孔的具体作用机理进行详细研究［5-7］。随着CFD技术多态耦合模型的建立和发展，有学者通过多态耦合数值模拟对多相离心泵内的流动特性进行研究［8-10］。对于泵的外特性，大量学者对混输泵进行数值模拟，探究气-液混输泵外特性、流场及相间作用特性之间的规律［11-13］。亦有学者通过叶轮参数和时均方程探究离心泵的外特性规律［14-15］。

总体来看，一些学者基于CFD数值模拟对离心泵的流场的运动规律及叶轮开孔的位置做了具体的研究，并取得不错的成绩，但目前对于叶轮开孔在气-液两相条件下对气-液两相泵的影响研究还较少，且主要集中于内特性的影响研究，对外特性的影响研究极少。

本文以流量为5 m3/h，扬程为26 m的Q5H26型高速离心泵作为研究对象，首先根据CFD对其流场进行数值模拟，将模拟结果与实际中外特性试验值进行对比，验证CFD数值模拟的可靠性。基于雷诺时均方程（navier-stokes，N-S）和雷诺应力湍流模型，模拟不同含气率工况下该泵的内部流场，分析气-液两相流在离心泵内部的流动情况。在此基础上，对叶轮进行开孔，以同样的方法对其进行流场数值模拟，将其模拟结果与优化前泵的性能曲线做直观对比，研究不同含气率下叶轮开孔对高速离心泵的外特性影响规律。

1 泵的数值模型的建立

1.1 离心泵参数

采用Q5H26型高速离心泵作为研究对象：流量Q=5 m3/h，扬程H=26 m，转速n=7 000 r/min，叶轮出口直径D2=62 mm，叶轮出口宽度b2=4 mm，叶片数Z=6，泵的介质密度为1 000 kg/m3。本文利用Solidworks建模软件对高速泵的进口延伸段、叶轮和蜗壳进行三维实体建模，为以后的研究提供实体模型。

1.2 网格划分

本文采用适应性更强的非结构性网格对该模型泵进行网格划分，对叶轮的工作区域进行密度更高的网格划分。为能在提高计算效率并适当节省计算资源的前提下，保证计算的准确性、科学性，对其进行网格无关性验证，如表1所示。从表1可以看到方案2和方案3全流道单元数相差1倍以上，但其计算出的扬程相差0.02，所以选择方案2进行本文的数值模拟分析。其中方案2在叶轮、蜗壳和进口延伸段的网格具体划分情况如表2所示，其流体网格如图1所示。

表1网格无关性验证Tab.1 Grid independence check

表2高速泵网格划分数据Tab.2 Meshing data of high-speed pump

图1高速离心泵网格划分Fig.1 Meshing of high-speed centrifugal pump

2 泵的外特性试验及CFD验证

2.1 泵的外特性试验

以转速7 000 r/min、电压220 V为条件，对循环泵模型进行外特性试验。试验中，采用电测法测量泵的轴功率，真空表测量进口压力，压力表测量出口压力，流量计监控不同工况下的流量，根据所测得的各值计算泵的扬程。根据实验数据和公式计算出的该泵外特性性能测试数据如表3所示。

表3循环泵性能测试数据Tab.3 Test data of circulating pump performance

2.2 CFD数值模拟验证

利用CFD软件对流量分别对3.5、4.0、4.5、5.0和5.3 m3/h时泵的特性参数进行数值模拟。泵的扬程计算公式为下：

式中，H为扬程；p1，p2为泵的进出口压力值；C1，C2为泵进出口的速度值；Z1，Z2为泵的进出口高度；ρ为泵内液体的密度。

离心泵的有效轴功率的计算公式为：

式中，P为有效轴功率，单位为W；Q为流量，单位为m3/h。

根据CFD数值模拟输出的压力值和泵的关系式，可以计算得出CFD模拟过程中该模型泵的扬程、有效轴功率、效率。泵的数值模拟性能数据如表4所示。

表4泵的数值模拟性能数据Tab.4 Numerical simulation of pump performance data

将通过CFD数值模拟泵的扬程和效率数据与外特性试验所得泵的扬程和效率数据进行对比。可明显看出，两者数据高度吻合，误差范围在5%以内。因此，本次建立的CFD数值模拟的仿真模型合理。在研究开孔时对该模型泵进行的CFD数值模拟得到的模拟结果数据是可靠的。

3 不同入口含气率下数值模拟

3.1 计算模型

模型选择对数值结果的影响程度不同。正确的模型选择将直接影响最终结果的准确性，本文根据实际情况，液体和气体相互掺杂，因此选择湍流模型进行分析。在室温下进行数值模拟，由于液体比重很大且连续，气体离散分布于液体，所以设置液相为Continous Fluid，气相为Dispersed Fluid，相间传递设置为Particle。叶轮流场设定绕Z轴以7 000 r/min的转速旋转，同时设置特定的压力和流量作为进出口条件。

3.2 不同入口含气率下气象体积分析

在该模型泵中，以不同的入口含气率为变量对上文建立的计算模型进行分析计算，其中不同入口含气率下压力云图和气体体积分数云图如图2所示。由图2可看出，随着入口含气率的逐渐增加，气体首先在叶片的吸力面以及出口位置逐渐聚集，该情况的发生主要是因为当气体从吸入侧进入叶轮时，由于压力、离心力和惯性力的共同作用，气体被液体挤压在叶片的吸力面。当入口含气率为5%时，叶片出口处有大量气体开始聚集；当入口含气率为10%时，由于气体含量增多，气体开始向叶轮边沿扩散；当入口含气率大于15%时，气体已经完全占据叶轮的吸入室和压出室，出现明显的相态分离现象，此时该模型泵的6个叶轮流道均被严重堵塞，从而导致该泵经常出现汽缚汽蚀的现象，不能正常工作。综上所述，对于气-液两相泵，入口含气率越大，气体在流道中的积聚就越严重，从而导致出口压力急剧下降，最终导致扬程和效率降低。

其中，对不同入口含气率下效率及扬程变化规律进行分析计算，得出其不同入口含气率下该模型泵的外特性数据如表5所示。

表5不同入口含气率下原始泵的外特性数据Tab.5 External characteristic data of original pump under different inlet void fractions

3.3 叶轮开孔CFD数值模拟

在叶轮盖板上开设回流孔，目的是剪碎并带离在叶轮流道内部积聚的气体。按照上述设计方案将已建立的模型泵，在接近叶轮开孔部位均等开设直径为3 mm的回流孔，然后对其进行进口含气率为0%、5%、10%、15%时的CFD数值模拟，其他设置与上述未开孔的CFD数值模拟相同。其中，结果输出的某界面压力云图和气体体积分布云图如图3所示。

图2不同入口含气率下原始泵的压力及气相分布图：（a）0%，（b）5%，（c）10%，（d）15%Fig.2 Pressure and gas phase distribution diagrams of original pump under different inlet void fractions：（a）0%，（b）5%，（c）10%，（d）15%

由图3可知，随着进口含气率的增加，气体在叶轮轮流道内的体积分布逐步增大，气体积聚在叶轮开孔位置，从而被叶轮出口的高压流体剪碎带离，有效降低汽蚀汽缚现象，可看出叶轮开孔对气体在叶轮内的体积分布具有直观的改良作用，当进口含气率达到10%以后尤为明显。

根据图3的出口压力及公式，计算出开孔后该模型泵的外特性数据如表6所示。

4 叶轮开孔前后对比分析

将进行开孔处理的该模型泵的CFD数值模拟性能曲线图与开孔前该模型泵的CFD数值模拟扬程、效率性能曲线图进行对比，能够更加直观的研究在气-液两相条件下随着进口含气率的升高叶轮开孔对高速离心泵的影响。

图3不同入口含气率下叶轮开孔泵的压力及气相分布图：（a）0%，（b）5%，（c）10%，（d）15%Fig.3 Pressure and gas phase distribution diagrams of pump with hole-opening impeller under different inlet void fractions：（a）0%，（b）5%，（c）10%，（d）15%

表6不同入口含气率下叶轮开孔泵的外特性数据Tab.6 External characteristic data of pump with hole-opening impeller under different inlet void fractions

其中，随着含气率的升高，模型泵开孔前后外特性性能对比曲线如图4所示。可以看出，随着入口含气率的升高，泵的扬程及效率均呈现下降趋势，但叶轮开孔对其外特性会产生积极影响，导致下降趋势变缓，在入口含气率在10%以后，表现尤为明显。由此可以得出：对于气-液两相条件下的高速离心泵，当进口含气率超过10%时，对其进行叶轮开孔设计可有效提高其外特性性能。

图4叶轮开孔泵与原始泵外特性性能对比Fig.4 Comparison of external characteristics of pump with hole-opening impeller and original pump

5 结论

将对该离心泵进行CFD数值模拟的结果与实际试验数据进行对比，可以得出，本次建立的CFD数值模拟的仿真模型合理，在研究开孔时对该模型泵进行的CFD数值模拟得到的模拟结果数据亦是可靠的。对该模型泵叶轮开孔，并对其进行不同含气率下的CFD数值模拟，将其结果与开孔前进行对比分析后可以得出结论：叶轮开孔对气-液两相高速离心泵具有优化作用。入口含气率在10%以下时，开孔后的泵模型的扬程和效率均略低于开孔前，这是因为开孔会造成能量损失，从而降低泵的扬程；含气率达到10%时，开孔前后扬程和效率基本持平；入口含气率超过10%以后，开孔后的模型外特性性能超过开孔前，所以对于气-液两相条件下的高速离心泵，当进口含气率超过10%时，对其进行叶轮开孔设计可有效提高其扬程和工作效率。