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多级离心泵内部流动分析及性能预测

发表时间：2020/10/19 来源：《基层建设》2020年第19期作者：李阵雷

[导读] 摘要：为了研究多级离心泵间隙内的流动结构和动压特性，初步探讨了间隙流与主流的关系。

        大庆华科股份有限公司
        摘要：为了研究多级离心泵间隙内的流动结构和动压特性，初步探讨了间隙流与主流的关系。通过数值模拟和实验，揭示了多级离心泵间隙流的非定常流场特征。在所研究的多级离心泵的不同位置安装高频动态压力传感器，结合动态数据和数值模拟结果，得到压力脉冲，仿真和试验的外特性曲线比较接近，试验得到的水头较低，效率较高；随着流量的增加，前室流体的静压和涡度强度增大，前室流线比断流时更均匀，结果表明，叶片频率处的压力脉动能量和叶轮出口处的谐波能量最大，环周压力脉动幅值相近，动、静压力脉动均减小叶舌干涉、叶片频率处的压力脉动能量及其在叶轮进口处的谐波最小。
        关键词：多级离心泵；间隙；流动结构；压力波动；试验
        随着国民经济的发展，多级离心泵在工程应用中发挥着越来越重要的作用，广泛应用于石油工业、农业灌溉、航空航天等领域。多级离心泵由于内部结构复杂，其内部间隙流动和瞬态动压特性会导致振动和噪声。对多级离心泵内部间隙流动的研究，不仅可以找到非定常流动与激振特性之间的关系，而且为探索多级离心泵的减振降噪方法开辟了新的方向。
        国内对多级离心泵间隙流动的研究大多采用数值模拟与实验相结合的方法来模拟和测量其外部特性，但对间隙的非定常流动特性和激励特性还没有系统的研究。国外对多级离心泵间隙的研究主要集中在旋涡、二次流等流动现象对固体壁面的作用力，以及其他进口段的流动特性与其影响结果之间的关系，数量较少。
        1个模型泵和网格生成
        1.1模型泵
        本文研究的多级离心泵的主要设计参数为：q=55m3/h，h=22m，n=1450rpm。
        1.2网格生成
        为了保证数值模拟的准确性，将每一部分划分为结构网格，并对较小尺寸或本文所涉及的部分进行加密处理。最后，通过网格独立性测试，使用的网格总数约为5×106。
        2数值计算方法
        该控制方程可直接应用于静止部件内部流场的计算。在旋转坐标系的参考下，对旋转部件的流场进行了计算。两个流场的控制方程情况相同，但速度是旋转坐标系下的相对速度，建立了离散化方法。每个控制方程的离散格式采用一阶迎风格式，采用速度和压力耦合的Simple算法。
        基于RNG的定常计算结果，采用大涡模拟（LES）进行非定常计算。利用滤波方程将包含脉动运动的瞬态湍流运动分解为大尺度涡和小尺度涡。大尺度涡直接用N-S方程求解，小尺度涡采用亚网格模型模拟处理。
        3试验方法
        试验泵安装在封闭系统中，通过LMS信号采集系统和pcb-113b27高频动态压力传感器获取泵不同位置的压力脉动。
        3.1控制方程。
        多级离心泵的内部是三维不可压缩粘性流体的湍流流动。控制方程为基于雷诺时均RANS的质量守恒方程和动量守恒方程。在有限元法的基础上，采用有限体积法对控制方程进行离散。对流项采用高分辨率格点，收敛精度设为10-4。

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通过对水头变化曲线的检测，保证了计算结果的可信度
        3.2湍流模型。
        叶轮机械内部流动是一个高度复杂的三维旋转非定常湍流运动。在数值计算中，如何选择适合实际应用的最佳湍流模型是一个具有挑战性的问题。由于标准k-ε模型已经在科学研究和工程实践中得到了广泛的验证和成功应用，因此，基于优化的网格3和K-ε紊流模型，分别计算了模型多级离心泵在设计流量工况和小流量工况下的内部流场，从而预测多级离心泵的性能。模型多级离心泵的计算流体域由吸入管、叶轮和蜗壳流道三部分组成。叶轮与吸入管、叶轮与蜗壳之间设有动、静态接口，使各流场成为一个整体。在定常流动模拟中，将吸入管与叶轮、叶轮与蜗壳的界面设置为冻结转子模式。网格节点匹配公式本文采用GGI模型。选择了速度入口和出口的入口和出口边界条件。根据多级离心泵在不同流量下的数值计算结果，得到了多级离心泵在小流量工况下的扬程和转速计算值。然后，通过模拟计算，得到了不同工况下的流动特性。但是，考虑到不同的设备条件，对流性能的模拟可能会出现误差，以局部流场计算的水头值的5%作为损失补充部分。
        4级离心泵内部流场的非定常数值研究
        由于多级离心泵的模型非常复杂，在分析稳态值时不能准确地分析其内部流动特性，因此在分析过程中应增加非稳态值的分析。因此，对蜗壳的转速进行了分析，应选用低比转速泵进行分析。首先，与它的径向尺寸相比，轴向速度几乎没有变化，然后通过分析可以得出径向速度和轴向速度的变化与多级离心泵的流量成正比，因此如果轴向流量减小，蜗壳内的液体流量也会减少，速度也会减慢。通过该模型主要分析了小流量条件下液体的回流。分析表明，管道中的液体会受到高能流体的影响，破坏其正常流动，甚至产生漩涡。同时，随着管道内流量的减小，曲线变得越来越不规则，造成严重的影响，直至无流量为止。前一部分通过稳态数值分析，对多级离心泵在不同流动条件下的流动特性进行了数值分析，得到了多级离心泵的内部流动特性。然而，多级离心泵的内部流动特性是一个复杂的三维模型，仅通过稳态数值分析无法真实反映多级离心泵在小流量工况下的内部流动特性。因此，需要对多级离心泵内部流场进行非定常数值分析研究。为了分析蜗壳内的转速，选择了低比转速泵。通过径向尺寸的比较，轴向速度基本没有变化。通过分析可知，随着多级离心泵流量的减小，周向转速和径向转速也在不断降低，从而使进入蜗壳通道的液体不断降低，从而使蜗壳内的转速降低。采用非定常数值分析方法对多级离心泵在小流量工况下的内部流动性进行了分析。通过设置监测点，对速度和压力进行分析，通过快速傅立叶变换得到压力波动的频率特性。通过模型的建立，可以得出结论：在小流量条件下，会发生液体分离和回流，高能流体会干扰进口管内的主流，使进口管内的流体不规则，甚至会出现漩涡现象。而且，随着流量的不断减小，多级离心泵内部的流线越来越不规则，进而占据整个空间，容易造成内部流动的不稳定，严重时可能出现内部流动中断。
        结论
        总之，多级离心泵在工业上应用广泛，在生产过程中也起着重要作用，其内部流动性是影响其工作效率和性能的主要因素，因此研究者必须重视对其内部特性的分析。此外，科研人员不能就此止步，而应在未来社会发展过程中，继续探索更先进的技术，优化其性能，加快其在生产过程中的效率，从而为企业创造更大的效益，实现本行业的快速发展。
        参考文献：
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        [3]吴登昊.高效低振动循环泵设计与试验研究[D].江苏大学，2018.
        [4]吴乐勤.多级多级离心泵内部间隙流动与泄漏损失[J].浙江大学学报（工学版），2018，08：1393-1398.