離心泵汽蝕斷裂工況原因的數(shù)值模擬分析 李然然

油氣田開采安全技術》結(jié)題論文離心泵汽蝕斷裂工況原因的數(shù)值模擬分析學生姓名學號專業(yè)班級：機電學院工碩班任課教師：2015年6月2日摘要：為研究離心泵發(fā)生汽蝕后出現(xiàn)流量-揚程曲線陡降的原因，基于ANSYSCFX軟件應用標準湍流模型、均質(zhì)多相模型和Rayleigh-Plesset方程，對比轉(zhuǎn)速為59的離心泵在不同工況下其內(nèi)部的汽蝕特性進行數(shù)值模擬，并與試驗結(jié)果進行對比，結(jié)果表明：數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果一致，絕對誤差為0.02%。流場分析表明，流量-揚程曲線下降的原因不是由單純傳統(tǒng)意義上的汽蝕引起的，主要是由于流道內(nèi)的空泡增多到一定程度后使液體發(fā)生邊界層分離產(chǎn)生的漩渦損失而引起的，從漩渦初生時就開始對流量-揚程產(chǎn)生影響，當整個流道都充滿漩渦時，就會出現(xiàn)汽蝕斷裂工況，初步揭示了泵內(nèi)部汽-液兩相流場的分布規(guī)律。關鍵詞：離心泵；汽蝕；斷裂工況；數(shù)值模擬中圖分類號：TH311文獻標志碼：A―、引言汽蝕的產(chǎn)生和發(fā)展會改變離心泵葉輪流道內(nèi)的速度分布干擾和破壞離心泵葉輪內(nèi)液體的能量交換，汽泡的潰滅輻射出來的沖擊壓力波將引起泵組的振動和噪聲，長時間的汽蝕會嚴重損傷葉輪等過流部件。因此，如何改善和提高離心泵的汽蝕性能問題一直是離心泵研究領域的一個重要研究方向。根據(jù)離心泵汽蝕余量的計算公式來分析影響栗汽蝕特性的因素，確定泵的汽蝕初生以及泵的容許汽蝕運行范圍［1］。根據(jù)汽蝕基本方程導出了離心栗必需汽蝕余量表達式，研究了變閥調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)與離心栗汽蝕特性之間的理論關系，文獻［3 5］通過分析和控制離心泵進口處的流態(tài)來改善離心栗的汽蝕。在數(shù)值模擬分析方面，采用計算流體力學（CFD）技術對離心栗的汽蝕性能做了比較深人的研究心］。國外應用數(shù)值分析、粒子成像測速技術（PIV）、振動分析等先進實驗技術以及現(xiàn)代計算方法對汽蝕的研究較多Qu但還沒有發(fā)現(xiàn)關于發(fā)生汽蝕時揚程下降及出現(xiàn)汽蝕斷裂工況的原因方面的研究。本文采用CFD數(shù)值模擬對離心泵葉輪發(fā)生汽蝕后出現(xiàn)流量-揚程曲線陡降的原因進行研究分析。二、數(shù)值模擬（一）計算模型及網(wǎng)格劃分計算模型為帶蝸殼的離心栗，輸送介質(zhì)為清7JC,其性能參數(shù)為：流量0為15皿/h;揚程H為30M；轉(zhuǎn)速為2950r/min;比轉(zhuǎn)速為59;葉片數(shù)為6片。為使模擬結(jié)果更加穩(wěn)定，采用PR0/E軟件生成三維計算區(qū)域模型對葉輪進口進行適當?shù)难由?，整個模型由一個動葉輪水體、一個靜止蝸殼水體及進口延伸段水體組成。采用計算流體力學流場分析軟件（CFX）中的前處理網(wǎng)格劃分軟件ICEM進行網(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格類型采用的是四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉輪的網(wǎng)格數(shù)為581014，蝸殼網(wǎng)格數(shù)為371367。網(wǎng)格劃分完后，選取ICEM中的smooth功能對網(wǎng)格進行光順處理。三維網(wǎng)格計算區(qū)域見圖1。圖1計算區(qū)域Fig.ICalculationDomain（二）數(shù)值模擬設置數(shù)值計算采用三維定常雷諾時均Navier-stokes方程和RNGk-s方程模型，計算方法為Segregated隱式方法；泵進口采用壓力進口條件，通過調(diào)節(jié)進口總壓控制泵內(nèi)部汽蝕的發(fā)生程度。出口條件給定出口質(zhì)量流量通過出口邊界條件控制模型的質(zhì)量流量。壁面粗糖度設為10Jim;近壁面處選用標準壁面函數(shù)壁面邊界條件設為絕熱無滑移壁面汽泡平均直徑設為2xl（T6m;采用動靜雙參考系處理葉輪和蝸殼中的水流運動問題，葉輪流道區(qū)域采取旋轉(zhuǎn)坐標系,轉(zhuǎn)速為2950r/min，蝸殼流道區(qū)域為靜止坐標系；采用SIMPLEC算法和二階迎風格式離散差分方程進行計算；設定各個速度分量、湍動能K及湍動耗散率S的收斂精度為10-5[11，12]；進口處水的體積分數(shù)設為1，汽泡的體積分數(shù)設為0。（三）汽蝕斷裂工況米用CFX,通過調(diào)節(jié)進口總壓控制泵內(nèi)部汽蝕的發(fā)生程度，通過0rgin8.0軟件對結(jié)果進行必要的后處理得到圖2所示數(shù)據(jù)，通過觀察發(fā)現(xiàn)，在汽蝕余量（NPSH）較大時，揚程幾乎不變，但A點起，揚程開始出現(xiàn)變化，從B點起出現(xiàn)急劇下降的斷裂工況，為了找出汽蝕斷裂工況出現(xiàn)的原因，本文著重分析A點至C點出現(xiàn)斷裂汽蝕工況時其內(nèi)部流場的流動情況。三、計算結(jié)果與分析運用CFX-POST軟件對結(jié)果進行必要的后處理，獲得所需要的計算結(jié)果。從圖3中可以K—…從葉輪進nfiL+.n的距離；造成進「I前流速不-樣的看出在葉輪進口到葉片進口邊之間的流速變化比較大，而葉片進口邊至葉片出口邊間的流速變化不大。圖4為不同工況下壓力變化分布。從圖4中可以看出，葉輪流道內(nèi)壓力隨著葉輪半徑的增大而增大，隨著葉輪半徑的增大而周向分布變得不均勻，局部出現(xiàn)高壓；葉輪末端的流道的中間壓力較低，壓力面和吸力面的附近壓力較高，A點低壓區(qū)范圍小于B點低壓區(qū)范圍，而C點低壓區(qū)大于B點低壓區(qū)的范圍，葉輪內(nèi)部壓力分布合理。圖5為在不同工況下汽體體積分數(shù)分布情況。從圖5中可以看出，汽泡相所占體積分數(shù)最大的區(qū)域集中在葉片進口處附近某一區(qū)域，靠近進口處的汽泡相較小，然后沿葉片流道向出口方向逐漸增大，汽泡相分數(shù)達到最大值后汽泡相分數(shù)急劇降低至消失，每個流道內(nèi)的汽泡相大小不一。在A點工況下，汽泡相區(qū)域呈長條狀分布，只有一個流道內(nèi)出現(xiàn)較大的汽泡相，汽泡相區(qū)域占整個流道的1/3,開始堵塞葉輪流道的進口；在B點工況下，只有一個流道內(nèi)的汽泡相比較小，其余流道內(nèi)的汽泡相區(qū)域開始堵塞葉輪流道進口，在3點工況時汽泡相區(qū)域已經(jīng)占據(jù)整個流道的2/3，且汽泡相區(qū)域的形狀也發(fā)生了變化，較小的汽泡相開始向葉輪出口方向延伸。圖6為葉輪內(nèi)部流線云圖。從圖6中可以看出，A點工況下葉輪內(nèi)部的流線比較均勻、穩(wěn)定，只有在汽泡相最大的流道內(nèi)開始出現(xiàn)較少的二次回流，說明此時的汽泡相已經(jīng)開始影響流道內(nèi)部的流動，而其余的流道內(nèi)雖然有汽泡相的存在，但對流道內(nèi)部的流動影響不大；B點工況時，在較大汽泡相區(qū)域后的二次回流開始變大，而其余的流道內(nèi)也開始出現(xiàn)二次回流；C點工況時，整個葉輪流道靠近進口較大區(qū)域內(nèi)存在汽泡相，而在汽泡相后出現(xiàn)較大的漩渦，對應圖3床丿打kPa '269.1圖4在不同工況下壓力變化分布Fig.4StaticPressureDistributioninOiHerentConditions

氣體體積分數(shù)/%圖5在不同匸況下氣體分數(shù)分布情況Fig.5CavitationVolumeFractioninDifiTercntConditions月點 臥 C點圖6不同工況時葉輪內(nèi)部流動規(guī)律Fig.6FlowLawsofImpellerinDifferentConditions可知，在C點工況時，揚程出現(xiàn)突降，達到汽蝕斷裂工況點。因此，揚程下降的主要原因是隨著漩渦的變大使得揚程下降，出現(xiàn)斷裂工況的主要原因是由于漩渦損失造成的。圖7為葉輪內(nèi)部的壓力變化曲線。從圖7中可以看出，整體上壓力變化是經(jīng)過平緩過渡后逐漸變大，在K為7.5cm時開始出現(xiàn)波動，這說明從K為7.5cm時起就開始受到汽蝕對葉輪流道內(nèi)部壓力的影響。K為11?15cm時，葉輪內(nèi)部壓力波動變化比較大，正好對應圖6所示的汽泡相區(qū)域后出現(xiàn)漩渦的位置。在A點工況時，葉輪內(nèi)部的壓力變化不大，只有在K為13-14.5cm間出現(xiàn)不大的壓力變化。因此，進一步說明，漩渦初生。時對葉輪內(nèi)部的壓力變化影響不大；而在B點工況時，從K為9?15cm時，開始出現(xiàn)較大的壓力波動。

4234261(]20 15 20圖8為葉輪內(nèi)部的速度變化曲線，從圖^84234261(]20 15 20圖8為葉輪內(nèi)部的速度變化曲線，從圖^8中可以看出，葉輪內(nèi)部的速度是逐漸變大的，B點和C點工況時，速度變甲動比較大，且流速也比較高，也是影響，使得葉輪流道內(nèi)的流速增加，且出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，而在A點工況時的速度變化曲線比Fie/7Pressurecliangui^ofIrnpeller較均勻，說明只有汽泡相情況對葉輪內(nèi)部速度變化影響不大。綜上所述，漩渦的存在是影響由于受到汽泡相排擠和漩渦的葉輪內(nèi)部壓力和速度變化最重要的因素。四、試驗結(jié)果及分析按GB/T3216―-2005《回轉(zhuǎn)動力泵水力性能驗收試驗l級和2級》標準在B級精度試驗臺上對離心泵的樣機進行性能試驗和汽蝕試驗。性能試驗時，通過調(diào)節(jié)出口閥門來控制出口的流量，測得試驗數(shù)據(jù)如圖9所示。汽蝕試驗時，保持流量不變，通過調(diào)節(jié)進口水封閥增加進口阻力，逐漸降低泵入口壓力，改變NPSH直至揚程降低量達3%,此時的NPSH即為臨界汽蝕余量。

界汽蝕余量?！嬎銛?shù)值30.6—計算數(shù)值30.0I五、結(jié)論294五、結(jié)論，對離心泵葉輪發(fā)生汽蝕后會出現(xiàn)流量。揚程曲線陡降的原因10，對離心泵葉輪發(fā)生汽蝕后會出現(xiàn)流量。揚程曲線陡降的原因10NPSH/m(1)離心泵汽蝕的初生階段對流場的流動情況影響不大，?且對流量。揚程曲線的影響也不大。(2J流盤揚程曲線是隨著漩渦汽蝕的發(fā)生、發(fā)展變大而下降腫叩(3)漩渦汽蝕充滿整個流道，漩渦汽蝕產(chǎn)生的損失是導致汽蝕斷裂工況產(chǎn)生的主要原因。(4)通過試驗驗證得知，通過數(shù)值模擬所得的數(shù)據(jù)與試驗所得數(shù)據(jù)誤差不大，因此，建立的數(shù)值模型和計算方法是可信的，用數(shù)值模擬的方法對流量-揚程曲線下降及汽蝕斷裂工況產(chǎn)生原因分析是正確的。參考文獻：【1】潘中永，倪永燕，李紅，等.離心泵汽蝕特性分析【J】.排灌機械，2008,26(4)：35.39.【2】高傳昌，張長富，周兵.離心泵汽蝕特性與調(diào)節(jié)工況的理論研究【J】.流體機械，2001,29(05)：16-19【3】袁建平，何志霞，袁壽其，等.進口條件對組合葉輪。性能的影響【J】.江蘇大學學報：自然科學版，2002，23(3)：63?66。【4】張人會，張學靜，楊軍虎.非設計工況下葉輪進口附近的流動及其控制【J】.甘肅工業(yè)大學學報，2003，29(4)：64—66．【5】許友誼.黑液強制循環(huán)泵汽蝕性能的改進設計【J】.江蘇大學學報：自然科學版，2003,24(6)：17．20．【6】朱榮生，付強，李維斌.基于CFD技術改善低比速離心泵葉輪性能【J】.中國農(nóng)村水利水電，2006，4：67．70．【7】朱榮生，付強，李維斌，等。基于混合模型的離心泵葉輪內(nèi)汽蝕兩相流的CFD分析【J】.中國農(nóng)村水利水電，2006,08：51-53.【8】孔繁余，張洪利，高翠蘭，等.基于流場數(shù)值模擬的高速磁力泵汽蝕性能研究【J】.農(nóng)業(yè)機械學報，2009，40(09)：89-93【9】LaurenceBSpecialistCommitteeonCavitationFinalReportandRecommendationstothe25th1TTC【C】The25thInternationalTowingTankConferenceFukuoca：MARlN，2008【10】EscalerX，EgusquizaE，F(xiàn)arhatM，eta1DetectionofCavitationinHydraulic