基于CFD技術改善離心泵內部空化性能的研究

由于離心泵在實際運行的過程中,空化會降低泵的揚程和效率;空蝕將對離心泵造成極大的破壞并產生噪音和振動。所以空化與空蝕破壞是引起離心泵故障的主要原因之一,如何提高離心泵的空化性能是流體機械研究領域的一個重要的研究方向。 近年來,隨著CFD技術的快速發展,從研究離心泵內部流體流動的機理出發,使用數值模擬研究離心泵內部空化流動,利用數值模擬預測的結果來指導改善離心泵內部的空化性能已經成為可能。因此,數值模擬方法已經成為離心泵性能分析、優化設計的一個重要的手段。 本文以CFD技術為基礎,應用商業軟件FLUENT中的RNG k-ε兩方程模型和SIMPLEC算法,采用了Singhal等人發展的一種三維混合流體完整空化湍流模型,對離心泵內部的全流道三維空化流動進行定常數值模擬研究,分析了在同一設計工況下原型離心泵葉輪和3種不同進口參數的葉輪在內部流場的壓力、速度、空泡體積分數分布和離心泵整機性能發生的變化,這對離心泵改善其空化性能、優化設計、節能降耗有著重要的意義。得到以下主要結論: 1.為了驗證數值模擬計算結果的準確性,先對原型離心泵進行了非空化流動和空化流動的數值模擬,通過把數值模擬結果和試驗結果相對比,結果表明預測曲線與試驗曲線趨勢基本一致,預測值與試驗值在設計工況下結果比較吻合,這為下面的工作打下了基礎。 2.對原型離心泵全流道內的空化流場進行模擬得到了空化現象主要發生在葉輪內部,而在吸入段和蝸殼段均沒有明顯的空化現象發生,說明葉輪對泵的空化性能具有重要的影響。從原型離心泵空化余量一揚程曲線中,發現試驗值和數值模擬預測值計算結果比較吻合,誤差在5%范圍內,曲線變化趨勢基本一致,說明所選的空化模型能夠準確預測離心泵的空化性能,這也說明數值模擬預測可以代替復雜而又麻煩的離心泵空化試驗。 3.通過改變葉輪進口尺寸,得出葉輪進口直徑有一*值為155mm,這*值的存在對于離心泵的效率的提高和空化余量的降低有著重要的意義。 4.增加葉片的進口安放角,即采用較大的正沖角,使進口的沖角為5°,葉片進口安放角增加到24°,離心泵空化性能得到明顯改善。 5.對于高比轉速離心泵,葉片進口邊流道寬度的增加,空化性能改變不是很明顯。

離心泵有立式、臥式、單級、多級、單吸、雙吸、自吸式等多種形式。其主要的工作原理有：離心是物體慣性的表現。比如雨傘上的水滴，當雨傘緩慢轉動時，水滴會跟隨雨傘轉動，這是因為雨傘與水滴的摩擦力做為給水滴的向心力使然。但是如果雨傘轉動加快，這個摩擦力不足以使水滴在做圓周運動，那么水滴將脫離雨傘向外緣運動。就象用一根繩子拉著石塊做圓周運動，如果速度太快，繩子將會斷開，石塊將會飛出。這個就是所謂的離心離心泵就是根據這個原理設計的。高速旋轉的葉輪葉片帶動水轉動，將水甩出，從而達到輸送的目的。