多级多出口离心泵的流动能耗计算分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)华南理工大学 作者:黄思

  采用CFD技术对多级多出口离心泵的能量损耗进行分析研究。当泵出口设置在多级泵中段时,泵出口下游段泵级出现明显的大尺度涡旋,级内的液流处于自循环状态造成严重能耗。为定量掌握分析该部分能耗,将泵出口后下游段的流动域卸除进行模拟计算及性能预测,与原模型的性能对比得到能量损失结果。计算结果显示,随着泵出口下游段级数的增多,泵扬程没有明显变化,泵总效率却显著下降,但平均每级效率损失减少。

1、前言

  多级多出口离心泵的结构是在单出口多级泵的基础上,在某个或几个中段开设泵出口。因不同的出口产生不同的扬程,用户可根据工况需求选择相应的出口,达到一泵多用的效果。该种多级泵在确定某中段位置作为泵出口后,其它出口一般处于封闭状态。因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为工作出口下游段的泵级内液体将处于自循环流动状态,这就难免做大量的无用功而消耗能量。

  本文在之前工作的基础上,采用CFD技术对多级多出口离心泵的能量损耗进行分析研究,为改进水泵的设计和提高水泵的操作性能提供理论依据。

2、流场数值计算

  2.1、计算方法

  2.1.1、计算域几何模型及网格生成

  以KDW65型4级3出口离心泵作为研究对象,应用pro/e软件建立流动计算模型(如图1)。该泵具有1个末级出口,2个中段出口。叶轮叶片数为7,叶片原直径尺寸是205mm,切割尺寸是186mm(只切割叶片)。径向导叶的正反导叶叶片数分别为10和6。表1给出了该泵各级的叶片直径和出口布置情况。

多级多出口离心泵流动计算域

图1 多级多出口离心泵流动计算域

表1 泵叶轮叶片直径和泵出口布置

泵叶轮叶片直径和泵出口布置

  将计算域三维实体导入ICEM软件进行计算网格划分,选用四面体网格单元,按照既保证计算精度,又避免计算过于耗时的原则确定网格数,总网格数约为1000000。

  2.1.2、边界条件及初始条件

  采用Ansys-CFX软件模拟计算整机三维流动,选取标准κ-ε湍流模型,压力和速度的耦合采用SIMPLEC算法。压力方程的离散采用标准式,动量方程、湍动能与耗散率输运方程的离散均采用一阶迎风格式。迭代计算时,通过设置迭代残差值和监测扬程稳定程度判断计算是否收敛。计算域进、出口边界分别采用压力及流量边界条件,流量根据实际工况决定。对于多级多出口离心泵出口的设置,用户在使用多级多出口离心泵时,一般不会同时使用几个泵出口,而是根据实际需要选择使用某一个泵出口。因此本文的模拟计算也只设置1个出口,其余出口设为壁面。

  2.2、计算结果及分析

  分别对多级泵设置不同工作出口进行整机模拟计算。下面以泵出口在第2级为例进行分析。图2是设计工况下(66.2m3/h)整机及各级的流线分布图。从图中可以看到,工作出口上游的流线分布正常,没有出现较大的漩涡。但在工作出口下游段泵级的流线分布紊乱,出现很多尺度较大的漩涡,如图2(a)、(c)、(d)所示。工作出口下游段泵级中的液体随着叶轮的旋转做自循环流动,并伴随有较大的能量损耗。

多级多出口离心泵内的流线分布

图2 多级多出口离心泵内的流线分布

4、结论

  (1)多级泵工作出口位于中段时,因工作出口下游段的叶轮旋转使流体自循环运动,产生了较多大尺度漩涡并伴随有较大的能量损耗;

  (2)多级泵的效率损失随着工作出口下游段级数的增多而增大,即泵出口位置愈往前移,能量损失愈发严重,泵的整体效率下降愈发明显,但平均每级的效率损失减少;

  (3)对多级泵扬程而言,泵工作出口下游段的旋转叶轮不断对流体做功,使得扬程基本没有发生改变。

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