蝸殼式混流泵空化特性分析
基于Rayleigh-Plesset空化模型和剪切應(yīng)力輸運(yùn)湍流模型(SST)，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)，對(duì)比轉(zhuǎn)速ns=449的蝸殼式混流泵設(shè)計(jì)工況下的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)模擬結(jié)果獲取了該泵的空化特性曲線，捕捉到混流泵內(nèi)空化的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程，對(duì)開(kāi)始發(fā)生空化、臨界空化和空化嚴(yán)重3種工況下葉輪內(nèi)的空化現(xiàn)象進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明：該泵空化性能滿足設(shè)計(jì)要求；混流泵葉輪內(nèi)的空化現(xiàn)象最初發(fā)生在葉輪流道內(nèi)，隨著凈正吸頭的降低，葉片背面靠近輪緣處開(kāi)始出現(xiàn)空泡，該空化區(qū)域從輪緣向輪轂方向延伸。在空化嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成葉輪流道的嚴(yán)重堵塞，導(dǎo)致混流泵揚(yáng)程的下降。研究結(jié)果對(duì)于其他比轉(zhuǎn)速的蝸殼式混流泵空化特性分析具有比較重要的指導(dǎo)作用。
隨著社會(huì)的高速發(fā)展，混流泵越來(lái)越多地被應(yīng)用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)的生產(chǎn).它在結(jié)構(gòu)和性能上介于離心泵和軸流泵之間，兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。空化是導(dǎo)致混流泵水力性能下降、壽命縮短、振動(dòng)噪聲加劇的主要原因之一。對(duì)混流泵空化特性進(jìn)行分析研究，可以對(duì)改善混流泵水力性能及抗汽蝕性能提供合理依據(jù)。國(guó)內(nèi)關(guān)于研究混流泵內(nèi)空化流動(dòng)的相關(guān)文獻(xiàn)目前比較少。水力機(jī)械空化研究主要有數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)兩種手段。模型試驗(yàn)由于耗費(fèi)物力、周期長(zhǎng)等不良因素，使得模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)泵的指導(dǎo)意義不明顯。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高，采用數(shù)值模擬計(jì)算方法預(yù)測(cè)水力機(jī)械的空化流動(dòng)已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水泵等水力機(jī)械的空化特性進(jìn)行數(shù)值預(yù)測(cè)，都表現(xiàn)出了較好的可行性。文中基于Rayleigh-Plesset空化模型和剪切應(yīng)力輸運(yùn)湍流模型(SST)，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)，對(duì)比轉(zhuǎn)速ns=449的蝸殼式混流泵在設(shè)計(jì)工況下的空化流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，以預(yù)測(cè)不同出口壓力條件下混流泵的揚(yáng)程特性，得到泵內(nèi)空化流場(chǎng)分布規(guī)律。Singhal等對(duì)軸流泵在設(shè)計(jì)工況下的空化流場(chǎng)進(jìn)行了全流道數(shù)值計(jì)算和分析，預(yù)測(cè)了流道內(nèi)空化流動(dòng)和空化發(fā)生區(qū)域的發(fā)展?fàn)顩r。
1、計(jì)算對(duì)象
所選用的蝸殼式混流泵設(shè)計(jì)參數(shù)為：流量Q=0.3m3/s，轉(zhuǎn)速n=1 450r/min，揚(yáng)程H=12m，比轉(zhuǎn)數(shù)ns=449.混流泵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為葉輪進(jìn)口直徑D1=260mm，葉輪最大直徑Dmax=350mm，葉輪葉片數(shù)Z=4.將整個(gè)泵段分為進(jìn)口段，出口段，葉輪，蝸殼4個(gè)區(qū)域，并分別進(jìn)行建模，如圖1所示。
圖1 混流泵模型
4、試驗(yàn)驗(yàn)證
從圖9可以看出，數(shù)值模擬得到的揚(yáng)程值與試驗(yàn)值的誤差在5%以內(nèi)，模擬揚(yáng)程變化趨勢(shì)和試驗(yàn)結(jié)果一致，說(shuō)明所使用的CFD數(shù)值計(jì)算方法是有效的，試驗(yàn)結(jié)果也是成功的。
圖9 模擬與試驗(yàn)揚(yáng)程-凈正吸頭對(duì)比
5、結(jié)語(yǔ)
(1)對(duì)比轉(zhuǎn)速ns=449的蝸殼式混流泵設(shè)計(jì)工況下的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。在未發(fā)生空化時(shí)，通過(guò)CFD計(jì)算所得的混流泵揚(yáng)程與試驗(yàn)值誤差小于2.5%，驗(yàn)證了數(shù)值模型的可靠性；發(fā)生空化時(shí)，用CFD方法預(yù)測(cè)了混流泵的揚(yáng)程衰減特性，揭示了隨著出口壓力的降低，混流泵葉輪內(nèi)空化流場(chǎng)的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程。
(2)空化發(fā)生會(huì)影響葉片的壓力分布，從而影響水泵的外特性；在葉片的低壓區(qū)，空化現(xiàn)象嚴(yán)重。
(3)混流泵葉輪內(nèi)的空化現(xiàn)象最初發(fā)生在葉輪流道內(nèi)，隨著凈正吸頭的降低，葉片背面靠近輪緣處開(kāi)始出現(xiàn)空泡，該空化區(qū)域從輪緣向輪轂方向延伸。在空化嚴(yán)重時(shí)，空化會(huì)造成葉輪流道的嚴(yán)重堵塞，導(dǎo)致混流泵揚(yáng)程的下降。
(4)通過(guò)模擬與試驗(yàn)揚(yáng)程-凈正吸頭對(duì)比圖，證明了所使用的CFD數(shù)值計(jì)算方法的有效性，試驗(yàn)結(jié)果與模擬的揚(yáng)程變化趨勢(shì)一致，本次試驗(yàn)也是成功的。
