多級多出口離心泵的流動(dòng)能耗計算分析

　　采用CFD技術(shù)對多級多出口離心泵的能量損耗進(jìn)行分析研究。當泵出口設置在多級泵中段時(shí)，泵出口下游段泵級出現明顯的大尺度渦旋，級內的液流處于自循環(huán)狀態(tài)造成嚴重能耗。為定量掌握分析該部分能耗，將泵出口后下游段的流動(dòng)域卸除進(jìn)行模擬計算及性能預測，與原模型的性能對比得到能量損失結果。計算結果顯示，隨著(zhù)泵出口下游段級數的增多，泵揚程沒(méi)有明顯變化，泵總效率卻顯著(zhù)下降，但平均每級效率損失減少。

1、前言

　　多級多出口離心泵的結構是在單出口多級泵的基礎上，在某個(gè)或幾個(gè)中段開(kāi)設泵出口。因不同的出口產(chǎn)生不同的揚程，用戶(hù)可根據工況需求選擇相應的出口，達到一泵多用的效果。該種多級泵在確定某中段位置作為泵出口后，其它出口一般處于封閉狀態(tài)。因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為工作出口下游段的泵級內液體將處于自循環(huán)流動(dòng)狀態(tài)，這就難免做大量的無(wú)用功而消耗能量。

　　本文在之前工作的基礎上，采用CFD技術(shù)對多級多出口離心泵的能量損耗進(jìn)行分析研究，為改進(jìn)水泵的設計和提高水泵的操作性能提供理論依據。

2、流場(chǎng)數值計算

　　2.1、計算方法

　　2.1.1、計算域幾何模型及網(wǎng)格生成

　　以KDW65型4級3出口離心泵作為研究對象，應用pro/e軟件建立流動(dòng)計算模型(如圖1)。該泵具有1個(gè)末級出口，2個(gè)中段出口。葉輪葉片數為7，葉片原直徑尺寸是205mm，切割尺寸是186mm(只切割葉片)。徑向導葉的正反導葉葉片數分別為10和6。表1給出了該泵各級的葉片直徑和出口布置情況。

圖1 多級多出口離心泵流動(dòng)計算域

表1 泵葉輪葉片直徑和泵出口布置

　　將計算域三維實(shí)體導入ICEM軟件進(jìn)行計算網(wǎng)格劃分，選用四面體網(wǎng)格單元，按照既保證計算精度，又避免計算過(guò)于耗時(shí)的原則確定網(wǎng)格數，總網(wǎng)格數約為1000000。

　　2.1.2、邊界條件及初始條件

　　采用Ansys-CFX軟件模擬計算整機三維流動(dòng)，選取標準κ-ε湍流模型，壓力和速度的耦合采用SIMPLEC算法。壓力方程的離散采用標準式，動(dòng)量方程、湍動(dòng)能與耗散率輸運方程的離散均采用一階迎風(fēng)格式。迭代計算時(shí)，通過(guò)設置迭代殘差值和監測揚程穩定程度判斷計算是否收斂。計算域進(jìn)、出口邊界分別采用壓力及流量邊界條件，流量根據實(shí)際工況決定。對于多級多出口離心泵出口的設置，用戶(hù)在使用多級多出口離心泵時(shí)，一般不會(huì )同時(shí)使用幾個(gè)泵出口，而是根據實(shí)際需要選擇使用某一個(gè)泵出口。因此本文的模擬計算也只設置1個(gè)出口，其余出口設為壁面。

　　2.2、計算結果及分析

　　分別對多級泵設置不同工作出口進(jìn)行整機模擬計算。下面以泵出口在第2級為例進(jìn)行分析。圖2是設計工況下(66.2m³/h)整機及各級的流線(xiàn)分布圖。從圖中可以看到，工作出口上游的流線(xiàn)分布正常，沒(méi)有出現較大的漩渦。但在工作出口下游段泵級的流線(xiàn)分布紊亂，出現很多尺度較大的漩渦，如圖2(a)、(c)、(d)所示。工作出口下游段泵級中的液體隨著(zhù)葉輪的旋轉做自循環(huán)流動(dòng)，并伴隨有較大的能量損耗。

圖2 多級多出口離心泵內的流線(xiàn)分布

4、結論

　　(1)多級泵工作出口位于中段時(shí)，因工作出口下游段的葉輪旋轉使流體自循環(huán)運動(dòng)，產(chǎn)生了較多大尺度漩渦并伴隨有較大的能量損耗;

　　(2)多級泵的效率損失隨著(zhù)工作出口下游段級數的增多而增大，即泵出口位置愈往前移，能量損失愈發(fā)嚴重，泵的整體效率下降愈發(fā)明顯，但平均每級的效率損失減少;

　　(3)對多級泵揚程而言，泵工作出口下游段的旋轉葉輪不斷對流體做功，使得揚程基本沒(méi)有發(fā)生改變。