离心泵进口回流诱导的空化特性

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离心泵进口回流诱导的空化特性

付燕霞1, 沈陈栋2, 袁建平2, 夏水晶2

(1.江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江 212013; 2.江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心, 江苏镇江 212013)

摘要：为研究离心泵进口回流空化特性,以IS65-50-160型离心泵为对象,选取CFX,Fluent和PumpLinx这3种模拟软件,应用标准k-ε模型,进行了网格无关性分析;,搭建了可用于外特性试验的开式试验台,将3种软件的外特性模拟值与试验值进行对比,分析3种软件在各工况下数值模拟的精确度;采用误差最小的模拟软件进行后续的空化和压力脉动数值模拟．结果表明:与其他2种数值模拟软件相比,CFX软件对小流量工况的模拟较为准确;由于回流的排挤作用加剧了主流区空化的发生;回流旋涡空泡的初生处于非附着状态,随着空化数的降低,最终附着在叶片上;回流旋涡空泡的发展和溃灭使得泵的特性曲线在急剧下降前出现了一段缓慢上升的趋势;回流旋涡发生时,在叶轮进口以及叶片进口均出现了频率为9.7 Hz的低频脉动．

关键词：低比转数离心泵;回流;空化;压力脉动;数值模拟

付燕霞，沈陈栋, 袁建平, 等. 离心泵进口回流诱导的空化特性[J]. 排灌机械工程学报,2016,34(10):841-846.

FU Yanxia, SHEN Chendong,YUAN Jianping, et al. Cavitation characteristic induced by inlet backflow in a centrifugal pump[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2016,34(10):841-846.(in Chinese)

由于实际运行工况常常发生变化,离心泵通常需要在空化条件下运行[1]．而在小流量工况下,其进口会出现回流．回流会使流动变得不稳定,产生噪声,影响泵的使用寿命[2]．

目前国内外对回流的研究主要集中在回流的生成机理[3]、回流的预测[4-5]、回流的流动规律[6]、抑制回流的措施等[7-8]．回流流场异常复杂,会导致旋涡、空化等．由于旋转的回流和主流之间剪切可形成回流涡结构,如果此时的旋涡区附近的压力低于气化压力,就会发生回流旋涡空化．YAMAMOTO等[9]研究了诱导轮的回流旋涡空化,并将其归纳于旋转空化的一种．陈晖等[10]针对诱导轮旋转空化的特征展开了系列研究工作．邓育轩等[11]通过高速摄影技术发现螺旋离心泵进口处存在2个旋转单位．然而,现阶段对进口回流诱导的空化特性研究极少,尤其是在离心泵方面．因此文中拟通过数值模拟对一低比转数离心泵回流诱导的空化特性进行研究．

1 计算模型与网格划分

1.1 计算模型

文中选用了低比转数离心泵IS65-50-160为模型,其主要的设计参数为设计工况下的流量Qd=25 m3/h,扬程H=32 m,转速n=2 900 r/min,比转数ns=65.5．模型泵叶轮部件的主要几何参数为叶轮进口直径D1=65 mm,叶轮出口直径D2=165 mm,蜗壳基圆直径D3=176 mm,叶片数Z=6,叶片出口宽度b2=7 mm.

1.2 网格划分

通过Pro/E对模型泵进行三维造型,如图1所示．

图1 模型泵的三维造型

Fig.1 3D model of centrifugal pump

文中采用ICEM进行四面体网格的划分,并在CFX软件中对网格进行了无关性分析,网格信息如表1所示．由表1可知,3套网格下扬程的计算值与理论值误差都在5%以内,符合网格无关性的要求,考虑兼顾计算成本和精确度,故最终选用第2套网格．

表1 CFX软件设计工况下不同网格数模型泵扬程

Tab.1 Head of model pump of different number of grids under design flow rate through CFX software

类型网格数量H计算值/mH理论值/mError/%1165720431.8032.000.[1**********]2.0032.[1**********]31.9732.000.09

另外,在PumpLinx软件中采用了自带的笛卡尔网格,并进行了网格无关性分析,如表2所示．最终选用第2套网格进行计算．

表2 PumpLinx软件设计工况下不同网格数模型泵扬程

Tab.2 Head of model pump of different number of grid under design flow rate through PumpLinx software

类型网格数量H计算值/mH理论值/mError/%1149110333.6132.005.[1**********]3.3932.004.[1**********]3.5532.004.84

2 数值模拟方法

2.1 边界条件及求解策略

文中在3种软件的计算过程中均采用了标准k-ε模型．在CFX软件和PumpLinx软件中选用进口边界条件为总压进口,设定初始的进口压力为101.325 kPa;出口边界条件为质量流量出口．在Fluent软件中选用的边界条件为速度进口;出口边界条件为总压出口．在3种软件中给定了相同的湍动能k和湍流耗散率ε;在固体壁面上,选择黏性流体无滑移边界条件,近壁区则采用标准壁面函数，收敛进度设置为10-5．

在非定常计算中,时间步长选为每转动20°为一个时间步长,得到一个收敛的结果,即1.149 μs,叶轮总共转动了100圈,总时间为2.069 s．

2.2 试验验证

为了对3种软件的模拟值与试验值进行对比,在江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心搭建了开式试验台,如图2所示,对模型离心泵进行加工并进行了一系列的外特性试验．

图2 泵的试验现场图

Fig.2 Test device of centrifugal pump

图3为泵的外特性对比图．由图可知,从整体趋势上,PumpLinx软件模拟得到的外特性曲线走势与试验结果最为相似．在小流量范围(0.4～0.8)Qd,CFX软件模拟结果最接近试验值.在设计流量点附近(0.8～1.2)Qd,PumpLinx软件模拟结果最接近试验值;在0.4Qd小流量工况点,软件模拟的精确度顺序由高到低依次为CFX,Fluent,PumpLinx;在1.0Qd设计流量工况点以及1.2Qd较大流量工况点,软件模拟精确度顺序由高到低为PumpLinx,Fluent,CFX．由于文中的回流研究集中在小流量工况下,因此最终选用CFX软件进行定常空化模拟及分析．

图3 泵的性能预测与试验值对比

Fig.3 Comparison of predicted and experimental performance curves of pumps

2.3 空化模型

文中最终选用了CFX软件进行空化的数值模拟,空化模型为默认的基于Rayleigh-Plesset方程的均相流动模型[10]．其描述空泡的生成方程可以简化,具体而言,若ppv,液体发生气化,气化速率为

Re=Ce3αnuc(1-α)ρvRB23(pv-p)ρl；

(1)

如果p≥pv,空泡发生液化,凝结速率为

Rc=-Cc3αρvRBρvρl23(p-pv)ρl,

(2)

式中:αnuc为气核体积分数;pv为饱和蒸汽压力,Pa;Ce为气化经验系数;Cc为凝结经验系数;RB为空泡半径,m;ρl为液体物理密度,kg/m3;ρv为空泡密度,kg/m3．在计算过程中,相关系数为αnuc=5.0×10-4,RB=1.0×10-6m,Ce=50,Cc=0.01,pv=3 574 Pa．

3 结果分析

3.1 回流的流量点确定

图4所示为4种流量下的速度流线分布图．由图可知,在1.0Qd下,叶轮进口流线较为整齐．当流量下降到0.8Qd,叶轮的进口处出现了一些明显的回流涡流线,这反映了泵的叶轮进口出现了回流,因此暂将0.8Qd作为回流的发生点．回流涡的流线随着流量的减小逐渐延伸至上游区域,这些区域可能会发生回流旋涡空化．

图4 不同流量下的速度流线分布图

Fig.4 3D streamline distribution under different flow rates

3.2 回流范围的确定

为了计算回流的范围,测量了进水管中随径向位置变化的轴向速度和旋转速度．选取了4种流量工况下距离叶轮进口面32.5 mm处进行分析.图5为不同流量下的轴向速度分布,图中r为测量点到进口管中心线的垂直距离,R1为叶轮的进口半径,vz为该点的轴向速度,主流的方向为正方向．

图5 不同流量下的轴向速度分布

Fig.5 Axial velocity distribution under different flow rates

由图5可以看出,在距离进口32.5 mm处,0.6Qd和0.4Qd有明显的逆向流动,并且占据了约30%的进口面积．这说明此时已经有了明显的回流发生．

图6为不同流量下的周向速度vr分布.从图中可见，在距离进口32.5 mm处,随着回流的发生,这些点处也出现了较大的周向速度,这是因为回流经过叶片时获得了很高的旋转速度．

图6 不同流量下的周向速度分布

Fig.6 Circumferential velocity distribution under different flow rates

3.3 进水管中心线上的轴向速度

图7所示为进水管中心线上的轴向速度分布,图中L为测量点到叶轮进口的距离．由图可知,在大于0.8Qd时,轴向速度随着流量的减小而降低,但在(0.4～0.8)Qd,轴向速度随着流量的减小而增大,这是由于回流逐渐占据主流导致了主流区域的轴向速度增大,而主流流速的增大势必会导致进口处的压力降低,进而可能会引发主流区域发生空化．同时这在一定程度上验证了0.8Qd工况点作为回流的发生点的正确性．从图中还可以看出,在(0.4～0.8)Qd,同一流量工况下,距离叶轮进口10.0 mm处的主流速度最大,32.5 mm处的主流速度最小,这说明这段区域回流的强度较明显,且越靠近进口,回流排挤作用越明显．

图7 进水管中心线上的轴向速度分布

Fig.7 Axial velocity distribution under inlet pipe of center line

3.4 泵的空化特性曲线

图8给出了2种流量下泵的空化特性曲线,定义图中的参数为

σ=p-pv0.5ρu21,

(3)

ψ=H0.5u22g-1,

(4)

式中:σ为空化系数；ψ为扬程系数；p为叶轮的进口静压,pa;u1为叶轮的进口圆周速度,m/s;u2为叶轮的出口圆周速度,m/s．

由图8可知,1.0Qd工况下,随着空化系数σ的降低,扬程系数曲线ψ急剧下降．这是因为对于低比转数离心泵而言,叶片的流道较窄,一旦发生了空化,空泡和空穴会迅速占据整个流道,因此泵的性能曲线会突然下降,扬程断裂;在0.4Qd工况下,随着空化系数的降低,扬程曲线首先缓慢下降,而后出现了一小段缓慢上升的趋势,然后才会出现突降的趋势．这种形式在诱导轮中多有发现[12-14]．结合空泡体积Vc,发现在扬程缓慢上升的这段趋势内,叶轮内的空泡体积出现了小幅度的下降趋势．

图8 不同流量下的空化特性曲线分布

Fig.8 Head breakdown points under different flow rates

3.5 叶轮内的空泡分布

为了研究0.4Qd工况下叶轮内的空泡体积分布情况,对各个叶片进行了标记,如图9所示.

图9 叶片的相对位置

Fig.9 Relative position of blades

图10为叶轮内的空泡体积分布．从图中可以看出，叶轮内的空泡分布随着压力的变化而变化．当σ=0.352时,叶片3,4,5的背面出现了空泡,这种不对称叶片空化较为明显;σ=0.249时,空泡向着相邻的叶片6发展,在叶片1和叶片2之间的流道出现了部分空化,由图11可知,这部分空化区域出现在回流的附近,称为回流旋涡空化,这个概念由YOSHINOBU教授提出[13]．另外,回流旋涡空化会发生在靠近蜗壳隔舌的叶片前缘附近,并且处于非附着的状态．同时,可以发现此时叶片上出现了明显的不对称叶片空化特征,这与付燕霞等[14]发现的小流量工况下叶片上的空化特征相一致;随着空化系数的降低,这种旋涡空化会逐渐增强,并且慢慢延伸至叶片并且附着在叶片上;当σ=0.090时,回流旋涡空化进一步发展,并且堵塞了叶片1和6之间的流道,扬程出现了缓慢下降的趋势;随着空化系数的进一步降低,叶片1和2之间流道的空泡逐渐消失,回流旋涡空化逐渐减少．这种旋涡空化之所以减少,是因为随着压力的降低,回流会慢慢消失,回流旋涡也会随之消失．而正是由于这种旋涡空化的减少,可能在一定程度上改善了叶片进口的流动[15],更有利于叶轮进口能量的交换．因此泵的扬程出现了一段上升的趋势．需要指出的是回流旋涡空化的产生和溃灭都发生在泵的扬程断裂之前．

图10 0.4Qd工况下叶轮流道的空泡分布

Fig.10 Vapor distribution in each blades impeller at 0.4Qd

图11 回流旋涡空化

Fig.11 Backflow vortex cavitation

3.6 叶片进口的压力脉动

为了研究回流旋涡空化状态下叶轮进口处以及叶片进口处的压力脉动,选取了0.4Qd,σ=0.090的工况进行分析,在叶轮进口面和叶片进口面的中心线处分别设置监测点Point 1和Point 2,为了量纲的统一化,同时引入压力系数

Cp=p-

　　0.5ρu21,

(5)

式中:p为监测点的压力,Pa;

　　为叶轮旋转一个周期内的平均压力,Pa．

进行FFT变换后,获得检测点压力脉动图,如图12所示．从图中可以发现,在叶轮进口处,主频为9.7 Hz,即0.2fb,其中fb为泵的轴频,同时存在着副主频为0.5fb,6.0fb;在叶片的进口,主频为43.5 Hz,即1.0fb,同时也存在0.2fb,2.0fb,3.0fb等次主频．之所以存在0.2fb的低频,是由于回流旋涡空化诱导产生的,这与YOSHINOBU教授所发现的诱导轮中回流旋涡空化造成的振动频率为0.16fb较为一致[13]．

图12 叶轮进口处监测点的压力脉动

Fig.12 Frequency distribution of monitoring points at inlet of blade

4 结论

1) 与其他2个软件相比,CFX软件对小流量工况的模拟较为准确．

2) 回流的排挤作用加剧了泵内主流区域空化的发生．

3) 回流旋涡空化的初生是非附着状态,随着空化系数的降低,回流旋涡空泡逐渐附着在叶片上．

4) 回流旋涡空化的发展和溃灭使得泵的特性曲线在急剧下降前出现了一段缓慢上升的趋势．

5) 由于回流旋涡空化的发生,在叶轮进口和叶片进口都出现了0.2倍轴频．

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(责任编辑盛杰)

Cavitation characteristic induced by inlet backflow in a centrifugal pump

FU Yanxia1, SHEN Chendong2, YUAN Jianping2, XIA Shuijing2

(1.School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China; 2.National Research Center of Pumps, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China)

Abstract：Cavitation characteristics induced by inlet backflow were studied in a centrifugal pump of type IS65-50-160.Numerical simulation were carried out on the basis of standardk-ε model to ana-lyze the independence of the grid number through three different kinds of CFD software such as CFX,Fluent and PumpLinx.The open performance experiments were carried out to verify the accuracy of CFD software.The one with the minimum error was chose for the simulation of backflow vortex cavitation and pressure fluctuation.The results show that the hydraulic performance at low flow rate using the CFX code is more close to the experiment data as compared to the other two kinds of CFD software.The displacement effect of backflow increased the cavitation intensity around the mainstream region.Backflow vortex cavitation occurred at free state,and then developed attached to the blade.It shows a slight increase before head coefficient dropped sharply due to backflow vortex cavitation erosion and bubble collapse.The frequency of 9.7 Hz was found to be closely linked to the backflow vortex cavitation.

Key words：low-speed centrifugal pump;backflow;cavitation;pressure fluctuation;numerical analysis

收稿日期：2015-08-18;

网络出版：时间： 2016-10-08

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20161008.1552.004.html

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51409125);中国博士后科学基金资助项目(2014M551515);江苏大学高级人才启动基金资助项目(15JDG073);江苏高校优势学科建设工程项目

作者简介：付燕霞(1986—)，女，江苏抚州人，讲师，博士([email protected])，主要从事离心泵内部不稳定流动研究.

沈陈栋(1991—),男,江苏盐城人,硕士研究生([email protected]),主要从事流体机械内部流动和空化研究.

doi：10.3969/j.issn.1674-8530.15.0183

付燕霞

中图分类号：TH311

文献标志码：A

文章编号：1674-8530(2016)10-0841-06