离心泵全流道内空化流场的数值模拟及预测

【摘要】： 离心泵在运行过程中,空化会使其过流部件产生磨蚀破坏,产生噪声和振动,空化严重时泵的效率显著降低甚至不能正常运行。因此,如何提高离心泵空化空蚀性能是流体机械研究领域的一个重要研究方向。 随着计算流体力学的发展和计算机性能的提高,用数值模拟来分析离心泵内部的空化流动已经成为可能。应用数值模拟的方法可以对试验难以测量的参数进行预估,而不需要大量的试验,应用数值模拟的方法对离心泵进行分析和工程设计,有利于提高工作的可靠性和经济性。数值模拟方法已经成为离心泵分析、设计的一个重要手段。 本文以计算流体力学为基础,应用商用CFD软件Fluent为工具,采用RNGk-ε两方程模型、混合多相流模型、空化模型和SIMPLEC算法,对比转数n_s=91.9离心泵叶轮流道内的空化流场进行数值模拟及预测,得到空化流场的压力、速度和空泡体积组份分布,计算结果与理论结果基本吻合,表明所采用的空化模型能真实反映泵内空化流动情况,这对叶轮的优化设计有重要意义。通过分析计算结果发现:1)对离心泵全流道内的空化流场进行模拟得到在进口段和蜗壳段均没有明显的空化发生,叶轮内空化主要发生在叶片背面进口稍后处,靠近前盖板的位置,该位置存在明显的低压区;2)大流量工况下,叶轮内低压区的面积和空泡体积分数均远大于设计工况和小流量工况,说明在大流量工况下运行容易造成空蚀破坏;3)在非定常空化流场的模拟中,叶轮在一个旋转周期内,空化强度随时间的变化情况是由弱到强,又由强到弱的非定常变化过程,但单个叶片空化最严重的地方是在叶片背面进口稍后处和前盖板接触的地方,叶片的出水边附近没有明显空化现象发生。这与定常空化流场的模拟结果是一致的。4)在空化发生的进程中,随着装置空化余量NPSHA的降低,叶轮内空泡体积组份分数逐渐增加,叶片表面压力和空泡体积组份分布开始不均匀,扬程H和水力效率η_h出现下降的趋势,说明空化严重时影响泵的性能。 为了验证数值模拟的准确性,分别计算了该泵在不同流量下的扬程。计算值和试验值比较发现在设计流量(45.7 m~3/h)附近误差小于5%。由此说明数值模拟结果较准确。