单-双蜗壳泵隔舌区压力脉动及径向力特性分析

单-双蜗壳泵隔舌区压力脉动及径向力特性分析

刘宜;梁润东;蒋跃;郭苗

【摘要】为揭示单-双蜗壳离心泵的不同水力特性,应用商业软件FLUENT,采用RNGκ-ε湍流模型和滑移网格技术,对单-双蜗壳双吸离心泵进行不同工况下三维非定常湍流数值模拟,得到不同蜗壳隔舌区计算点的压力脉动情况,并对其进行频域分析.结果表明:单蜗壳离心泵在设计工况及大流量工况下,压力脉动频率以叶片通过频率为主;在小流量工况下,压力脉动频率以低于1倍叶片通过频率为主,在0.6倍设计流量工况下,其压力脉动最大幅值约为设计工况下1.13倍.双蜗壳离心泵在小流量、设计流量及大流量工况下,压力脉动频率均以叶片通过频率为主,在0.6、0.8和1.2倍设计工况下,其压力脉动最大幅值分别约为设计工况的6.59、3.12和4.55倍.相比较于单蜗壳泵,双蜗壳泵能有效地平衡径向力,在偏离设计工况下径向力变化不大.【期刊名称】《兰州理工大学学报》

【年(卷),期】2014(040)004

【总页数】5页(P51-55)

【关键词】双吸离心泵;单蜗壳;双蜗壳;压力脉动;径向力

【作者】刘宜;梁润东;蒋跃;郭苗

【作者单位】兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050

【正文语种】中文

【中图分类】TH311

单-双蜗壳双吸离心泵内部流动均为复杂的三维非定常湍流，常伴有流动分离、空化、水力振动等，影响离心泵的稳定运行.而旋转叶片与静止蜗壳间的相互干扰所

产生的压力脉动，及作用在叶轮产生的径向力都是影响泵运行特性的重要因素

［1-2］.然而，由于结构上的不同，其分别在各自隔舌区所产生的压力脉动特性及作用在叶轮上的径向力各不相同.因此，分析对比单-双蜗壳泵所产生的压力脉动和径向力影响，对蜗壳的改进设计提高泵运行稳定性有重要的意义［3］.

目前，对于离心泵蜗壳内部流场压力脉动的研究可采用试验和数值方法.其中数值

模拟方面，González通过试验和数值模拟方法对离心泵的压力场进行研究，并将数值结果与试验值进行了比较，表明数值模拟方法可在很大流量范围内成功地获得叶片通过频率下的压力脉动幅值，从而验证了采用数值模拟方法研究离心泵压力脉动特性的可行性.丛国辉［4］等采用大涡模拟方法和滑移网格技术，得到双吸离心泵隔舌区计算点的压力脉动情况，表明在设计工况和大流量工况下，叶片通过频率在脉动频域中占主导地位；在小流量工况下，低于1倍叶片通过频率的脉动占主

导地位.杨敏等［5］采用雷诺时均方法和SST k-ε湍流模型对隔板双蜗壳泵进行三维非定常湍流数值模拟，表明叶轮受到的径向力随叶轮的旋转呈现不稳定性.但到

目前为止，尚未同时对同参数单-双蜗壳内的压力脉动及径向力特性进行分析对比. 本文以HD型双蜗壳石油化工流程泵作为研究对象，通过三维非定常计算对不同

工况下单-双蜗壳隔舌区进行检测，并采用FFT变换对压力脉动的幅值的频率进行分析，同时对比分析了作用在单-双蜗壳叶轮上径向力的变化规律.

1 计算模型与方法

1.1 计算对象及网格划分

本文以兰州水泵厂生产的HD400-160×2型石油化工流程泵为模型，用同一叶轮、

不同蜗壳结构进行分析.具体参数：流量qV，d＝400 m3／h，扬程 H＝160 m，转速n＝2950 r／min，叶片数5片，叶轮出口直径D 2＝373 mm，叶轮出口宽度B 2＝15 mm.HD型石油化工流程泵模型为双蜗壳结构，根据速度矩保持性定

理υu R＝K 2（常数）设计出单蜗壳结构压出室［6］.

计算域包括吸水室、叶轮和压水室.通过Pro／E进行实体建模，然后导入gambit 进行网格划分，并对模型进行碎面的合并，大大提高了网格的质量.采用对复杂边

界适应性强的非结构化四面体网格对计算域进行网格划分，在单-双蜗壳隔舌处进

行了网格的加密.一般情况下对网格的等角斜率和尺寸斜率不超过0.85的质量要求，经检查此模型网格的等角斜率和等尺寸斜率均不超过0.8，网格质量较好.单-双蜗

壳网格总数分别为2 734 580和3 077 653，计算域及网格划分结果如图1和图

2所示.

图1 单蜗壳计算区域及网格Fig.1 Computational domain and mesh of single volute

图2 双蜗壳计算区域及网格Fig.2 Computational domain and mesh of double volute

1.2 计算求解

采用Fluent软件进行离心泵内部不稳定流场的数值模拟.采用RNG k-ε湍流模型，非耦合隐式方案进行求解，时间项离散采用二阶全隐格式［7］，压力项采用二阶中心差分格式，其他项采用二阶迎风差分格式，压力和速度的耦合求解采用适于非定常计算的 PISO 算法［8］.

进口边界指定为速度进口条件，其值通过流量和进口过流面积确定.出口边界指定

为自由出流条件，认为泵内流动在出口部分已经达到充分发展状态［9］.对于泵内转子部件和定子部件之间的交界面，引入滑移网格技术［10］进行处理.固壁采用

无滑移壁面条件，近壁区域采用标准壁面函数来求解近壁面区域内的低雷诺数流动.

采用稳态RANS计算结果作为此次非定常计算的初始流场，为足够分辨内部流场

的非定常信息，时间步长取为1.16×10-4 s，每一个时间步长叶轮转过3°.

1.3 蜗壳结构及计算点位置

本研究选择泵的4个运行工况进行计算，分别为qV／qV，d＝0.6、0.8、1.0、1.2.在单 -双蜗壳隔舌区分别设置监测点C 1、C 2，如图3所示.

图3 压力监测点位置Fig.3 Position of pressure monitoring and measuring spot

2 计算结果及分析

2.1 双蜗壳泵性能试验

为了验证数值模拟结果的可靠性，采用开式试验台对HD型泵进行了外特性试验，并将试验结果与数值模拟的结果进行对比，如图4和图5所示.其中各工况点的计

算值是泵在非定常数值计算下得到的一个周期内的时均扬程和时均效率.

图4 流量-扬程曲线Fig.4 Curves of head vs flow rate

图5 流量-效率曲线Fig.5 Curves of efficiency vs flow rate

结果表明，扬程和效率的模拟值均比试验值偏高，但相对误差均小于5%，试验结果和性能预估结果具有较高的吻合度.由此可以断定，该模型比较准确地预测了泵

的外特性，得到的非定常流场计算结果是可信的.

2.2 单-双蜗壳泵性能预测

通过对单-双蜗壳离心泵全流道进行定常数值模拟，预测了不同工况下两种蜗壳形

式泵的水力性能，如图6所示.

从图中可以看出，在不同工况下，单蜗壳与双蜗壳泵的扬程与效率偏差较小，最大相对误差小于3%，且在设计工况下相对误差最小.可见，设计的单蜗壳泵与双蜗壳泵相比有相似的外特性，验证了研究单-双蜗壳泵的压力脉动特性是可行的.

图6 单-双蜗壳泵性能曲线对比Fig.6 Comparison of performance curves