立式双级自吸泵自吸过程的数值模拟研究

袁汉钦，高攀龙，张塬东

（1.海装上海局驻合肥地区军事代表室，合肥 230088；2.合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031；3.浙江大学 能源工程学院，杭州 310027）

0 引言

立式自吸泵具有运行稳定、安全性能好等特点，同时，其振动噪声低，易于维护、使用寿命长。特别是可用于含杂质液体可靠输送的立式无密封自吸泵，在冶金、电力和污水处理等领域得到了广泛应用［1-3］。自吸泵的工作过程可分为2个阶段：气液两相流动和普通离心泵工作阶段。启动后叶轮旋转在叶轮进口，并在叶轮进口产生负压，将吸入管内的空气吸入泵体并排出。当吸入管中的气体被全部排出泵外后，自吸泵转化为普通离心泵工作阶段。对于立式自吸泵而言，除了效率和抗污能力外，最大自吸高度和自吸时间等自吸性能指标也被着重关注。自吸过程中抽上液体时的相对于液面所能达到的最大几何高度即为泵的最大自吸高度，泵启动至泵出口充满液体所需的时间即为泵的自吸时间。

已有学者围绕提高立式自吸泵性能开展数值模拟和改进设计研究，孙幼波［4］、张塬东［5］等先后对单级和双级立式自吸泵的性能进行数值模拟和试验研究，并基于数值模拟对内部结构进行改进设计。夏丽等［6］则研究立式自吸泵蜗壳回流孔位置对提升自吸性能和水力性能的影响。王春林等［7］采用FLUENT软件对自吸式旋流自吸泵内气液两相流场进行了数值模拟，结果发现自吸时单液状态下静压稍微大于气液两相状态下的静压，液相通过相间作用夹带气相流动是泵内的主要流动。刘建瑞等［8］针对内混式自吸泵，通过采用FLUENT软件对泵自吸过程的气液两相流进行了数值模拟，通过对结果分析，给出了进口不同含气率条件下流场的气相分布、速度分布和压力分布。李红等［9-10］采用VOF多相流模型结合滑移网格技术，对泵启动过程中气液分离现象和混合现象进行了数值模拟，获得叶轮内回流孔、监测点及蜗壳各断面的含气率变化曲线。结果发现在自吸前期和末期，泵内多数区域体积和含气率存在一个迅速变化过程，蜗壳各断面、叶轮进出口、回流孔处速度在自吸前期存有振荡，表现出明显瞬态效应。Huang等［11-12］以泵出口处和叶轮入口气液相流量随时间的变化规律估算自吸时间，对自吸泵启动过程中气液两相流的瞬态过程进行了数值模拟。上述研究中，针对自吸过程的模拟均基于自吸泵入口的含气率为某一固定值的假设。然而，自吸过程的入口含气率为一个变化值，现有计算结果均未给出完整自吸过程流场和性能变化。

本文以一台立式双级自吸泵为对象，相对真实地模拟自吸过程的系统条件，基于FLUENT软件模拟自吸泵内非定常气液两相流动，分析自吸过程中泵内部的含气率及压力的演化规律，为改进立式自吸泵的自吸性能提供参考。

1 双级立式自吸泵结构与建模

1.1 自吸泵性能参数与模型

本文研究的双级自吸泵结构如图1所示，该泵额定流量为370 m3/h，额定扬程为47 m，额定转速为1 480 r/min，自吸高度为2.5 m，要求自吸时间不大于180 s。在建模过程中，为了节省计算资源，同时考虑到气液分离室内蜗壳支架等结构对泵水力性能的影响不大，在构建模型的过程中可忽略气液分离室内部结构。本文最终所建模型由出口管、副叶轮、次级后密封环间隙、次级前密封环间隙、次级蜗壳、次级叶轮、气液分离室、首级后密封环间隙、首级前密封环间隙、首级蜗壳、首级叶轮、吸入管等部分组成。考虑到自吸过程的数值计算，建模过程中还在立式自吸泵出口位置增加节流装置，如图2所示。泵吸入管水平延伸1.12 m，向下延伸3 m（空气段），该模型的自吸高度为2.5 m，与试验过程保持一致。

图1 双级立式自吸泵结构示意

图2 立式自吸泵自吸过程计算模型

1.2 网格划分与计算方法

本文采用ICEM软件对模型进行混合网格划分。采用非结构四面体网格的有气液分离室、副叶轮流道、蜗壳流道和叶轮流道等，采用六面体结构化网格划分的有次级前后密封间隙、首级前后密封间隙、出口管和吸入管。图3示出整体流道网格划分结果，整个模型共计3 860 518个网格单元。为分析网格数量对计算结果的影响，对3种网格数量分别为4 663 289，3 860 518，3 128 649的情况进行了流场模拟，进而分析计算结果和网格数量之间的关系。结果显示其可以满足数值模拟精度要求，3种情况下扬程变化均小于1.5%，得到的扬程分别为49.37，49.13，48.68 m，本文最终采用网格数量为3 860 518的网格进行计算。

图3 立式自吸泵计算网格

采用FLUENT软件对该立式自吸泵内部流场进行定常数值模拟。采用Realizablek-ε模型作为本文的湍流模型，求解离散方程采用压力耦合方程组SIMPLEC算法。对于边界条件的设置，具体如下：出口和入口分别设置为压力出口和速度入口，通过interface连接气液分离室、蜗壳以及叶轮等主流道与密封间隙流道。在具体对于计算区域的相关设置中，存在旋转和静止计算域，其中旋转计算域主要包含密封间隙的叶轮前、后盖板壁面、叶轮和副叶轮流域，对应分别采用旋转壁面条件和旋转坐标系；静止计算域主要包含密封间隙、出口管、吸入管、蜗壳和气液分离室，采用静止坐标系。

2 数值模拟结果分析

2.1 气液两相分布

双级自吸泵自吸过程中截面的气液两相分布云图如图4所示，图4（a）表示的是自吸泵的初始状态，此时，自吸泵管路充满水，仅在吸入管充满3 m高度的空气。随着泵的运行，首级、次级叶轮运动，如图4（b）所示，泵入口的水开始流入首级叶轮，同时，在叶轮入口处产生了一定的负压，使得吸入管中的气体随管路进入泵首级叶轮。从图4（c）可看出，气体进入首级叶轮后，经过离心力的作用，气体开始进入气液分离室，并伴随着首级叶轮内的气体越来越多。随着首级叶轮内气体的增加，如图4（d）所示，气体进入了次级叶轮，此时的首级叶轮主要对气体做功，气体受到重力影响，进入气液分离室的顶端。随着首级叶轮流道内含气量的减少，气液分离室中的气体也越来越多，首级叶轮对气水混合物做功增加，同时，从4（e）可以看出出口管中出现气水混合物。如图4（f）所示，吸入管中的气体含量继续减少，泵体内的气体含量很高，气液混合比较均匀，出口管中的气液混合物增多。图4（g）显示吸入管中的气体全部进入泵体。图4（h）显示自吸泵进入正常排水阶段，泵自吸过程结束对应时间在t=7.31 s。

图4 立式双级自吸泵内中截面气液两相分布

双级自吸泵首级叶轮截面气液两相分布云图如图5所示。图5（a）显示，当t=0.72 s时，此时自吸泵的首级叶轮内部开始出现气体。由图5（b）（c）可以看出，当t=0.78 s、t=0.84 s时，相对于压力面，叶轮内吸力面含气率更大，并逐渐增加。造成这种现象的原因主要是空气和水密度的差异，相对于水，空气的流动存在滞后，液体水向压力面区域靠近，空气则逐渐向容易产生流动分离的叶片吸力面附近靠近。当t=1.07 s时，从图5（d）中可以看到，叶轮周围空气含量较高，水出现在蜗壳附近，且随着空气含量的增大，蜗壳内部的水进入气液分离室。当t=1.51 s时，自吸泵的整个叶轮蜗壳内部几乎充满了空气，此时首级叶轮以排气为主，见图 5（e）。由图 5（f）～（h）可以看出，叶轮内部的空气含量逐渐降低，叶轮内的空气和水混合逐渐均匀，且主要以气水混合状态存在。当t=3.52 s时，可以看出，吸入管中的气体全部通过首级叶轮进入气液分离室，见图5（i）。

图5 首级叶轮截面气液两相分布云图

立式双级自吸泵次级叶轮截面气液两相分布云图如图6所示。从图6（a）可看出，此时气液混合物经过自吸泵首级叶轮进入次级叶轮。从图6（b）可看出，叶轮流道内的空气和水分布不均匀，次级叶轮中的吸力面区域聚集含气率低的气水混合物。从图6（c）可看出，次级叶轮中含气率达到0.65左右，此时次级叶轮对气水混合物做功最少。从图6（d）（e）可看出，次级叶轮流道内充满均匀分布的气水混合物。从图6（f）可看出，次级叶轮、蜗壳和气液分离室内部空气含量较少，排除气水混合物基本上是水夹带着少量气体。

图6 次级叶轮截面气液两相分布云图

2.2 压力及含气率变化曲线

图7示出自吸泵入口、首级叶轮进口面静压与含气率随时间变化曲线。由图可知，初始时间t=0 s时，首级叶轮进口含气率为0，首级叶轮进口静压较低。当时间为t=0.72 s时，空气进入首级叶轮，首级叶轮中的含气率开始升高，并伴随着首级叶轮进口静压快速上升至9 000 Pa，随后快速下降；当 0.72 s＜t＜1.51 s时，吸入管中的气体不断进入首级叶轮，首级叶轮主要对气体做功，随着时间增加，首级叶轮进口面的含气率迅速增加，最大值为0.98；在此过程中，伴随空气进入叶轮，首级叶轮进口静压出现一个小波动，随着进气量的增加，静压迅速升高，后随之降低；当1.51 s＜t＜3.52 s时，自吸泵内的气体主要进入蜗壳和气液分离室，首级叶轮内的空气逐渐减少至0，此时吸入管中空气全部进入自吸泵。在此过程中，当含气率逐渐减小时，伴随着首级叶轮进口静压先出现一个上升，后快速下降至-16.9 kPa。当首级叶轮内的空气全部进入气液分离室后，静压逐渐稳定在-12.5 K。同时，根据泵入口静压曲线可知。在0.72 s＜t＜3.52 s过程中，泵入口静压出现较小波动，其余时间保持稳定。

图7 自吸泵入口、首级叶轮进口静压与含气率变化

自吸过程初期首级叶轮主要对水做功，当有气体进入叶轮时，首级叶轮做功减少，同时由于重力原因，吸入管水柱快速下降，叶轮入口静压出现较大波动。随着含气率的增加，排水能力减弱，静压值快速下降，1s后叶轮进口与泵入口静压差增大，每次含气率经过波峰或波谷值时，首级叶轮进口静压都会出现一定程度的上下浮动，首级叶轮的自吸末期，首级叶轮不再对气体做功，首级叶轮进口静压开始稳定。

图8示出立式双级自吸泵首级叶轮出口面、首级蜗壳出口面静压与含气率随时间变化曲线。从图8可以看到，首级叶轮出口静压和首级蜗壳出口静压变化趋势一致。当0.72 s＜t＜1.51 s时，吸入管内的气体进入首级叶轮，首级叶轮和蜗壳出口静压迅速下降，在t=1.51 s时，静压最小，当 1.51 s＜t＜3.52 s时，静压值慢慢升高，主要是因为对应气水混合物中水的体积分数不断增大，在t＞3.52 s时，吸入管中气体全部进入气液分离室，首级叶轮不再对气体做功，首级叶轮出口和蜗壳出口静压开始稳定。静压变化规律和含气率变化规律相反。从图8也可以发现首级蜗壳出口面含气率曲线和首级叶轮出口面含气率曲线变化基本一致，它们的不同主要是因为流体介质流过的时间不一致，存在一定的滞后性，当气水两相流体介质流经蜗壳后，部分动能转换为压能。当0 s＜t＜0.72 s时，吸入管中气体未进入首级叶轮，首级叶轮出口和蜗壳出口含气率均为0，当0.72 s＜t＜1.51 s时，吸入管中气体进入首级叶轮，首级叶轮出口和蜗壳出口含气率迅速上升，并在t=1.5 s时达到最大值，当 1.51 s＜t＜3.52 s时，对应含气率又迅速下降，此时气水混合物逐渐进入气液分离室，当t＞3.52时，含气率重新稳定为0。

图8 首级叶轮出口、蜗壳出口静压与含气率

当吸入管空气进入首级叶轮，首级叶轮内的含气率逐渐增大，首级叶轮逐渐对气体做功增强，首级叶轮与蜗壳出口面的静压值下降。伴随着首级叶轮中含气率的减小，首级叶轮对气水混合物的做功能力开始增强，对应的出口面静压值开始上升。当进入首级叶轮中的气水混合物全部进入气液分离室，首级叶轮不再对气水混合物做功，首级叶轮不再对气体做功，静压开始稳定。

图9示出立式双级自吸泵次级叶轮进出口面、蜗壳出口面静压与含气率随时间变化曲线。由图9可以看到，次级叶轮出口静压和次级蜗壳出口静压变化趋势一致，与次级叶轮入口静压变化趋势不完全一致。次级叶轮进出口含气率和次级蜗壳出口含气率变化规律一致，当t=0.72 s时，吸入管气体进入首级叶轮，次级叶轮进出口静压和次级蜗壳出口静压迅速降低，是因为随着含气率的增加，首级叶轮对气液混合物做功能力减弱。当1 s＜t＜1.51 s时对应3个静压均保持平稳，是因为此时首级叶轮内部含气率很大，首级叶轮对气水混合物做功能力较差。当t＞1.51 s时，次级叶轮出口静压和次级蜗壳出口静压先下降后上升，是因为气水混合物进入次级叶轮，次级叶轮的做功能力改变。次级叶轮进口静压缓慢上升，是因为首级叶轮含气率降低，做功能力增强。当t＞3.52 s时，次级叶轮进口静压保持平稳，是因为此时首级叶轮不再对气体做功，恢复正常做功。次级蜗壳出口和次级叶轮出口静压保持继续缓慢上升，是因为此时次级叶轮需要对气水混合物做功，随着含气率的减小，次级叶轮做功能力逐渐回归正常状态。当t=8 s后，静压趋于稳定，此时自吸泵次级叶轮正常运行，不再对气水混合物做功。

图9 次级叶轮进出口、蜗壳出口静压与含气率

3 结语

基于FLUENT软件对一台立式双级自吸泵的自吸过程进行非定常数值模拟，给出从开机到正常排水整个过程的气液两相流动演化特性，包括泵内首级叶轮、蜗壳与次级叶轮、蜗壳各进出面的静压值、含气率变化曲线，分析了自吸过程气液两相流动的变化规律。通过设置泵吸入管空气段和出口管节流阀，可相对真实地模拟立式自吸泵自吸条件，得到整个自吸过程的流动演化。结果显示：在双级立式自吸泵的启动初期，当有气体进入首级叶轮时，其叶轮做功减少，吸入管水柱由于受到重力作用，开始迅速下降，进而对自吸泵叶轮入口的静压有较大影响。首级叶轮的做功能力随气水混合物中空气分数减小而逐渐增大，并伴随着静压值逐渐上升，待自吸泵吸入管内部的气体完全进入气液分离室后，首级叶轮进入正常工作状态。首级叶轮进入正常排水后，次级叶轮进口面静压值开始稳定，气液分离室含气率逐渐下降，次级叶轮逐渐达到正常排水状态，出口静压值上升，完成整个自吸过程。