非设计工况下斜流泵叶轮进出口环量变化分析

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，2013文章编号： 1005—0329(2013)09—0020—05非设计工况下斜流泵叶轮进出口环量变化分析欧鸣雄，施卫东。田 飞，张德胜(江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏镇江 212013)摘 要： 基于RNG k一8湍流模型对斜流泵内部三维流场进行了数值计算，重点针对非设计工况下的斜流泵叶轮进出口环量分布特征进行了分析。研究结果显示，在设计点附近的叶轮进口环量受叶片进口边影响较大，不同采样线的环量分布具有一定差异，小流量工况下受到叶轮进口回流的影响，不同采样线的环量分布趋于一致。叶轮出口环量分布受采样线位置影响较小，在设计流量点时，叶轮出口呈等环量分布。在小流量工况点，受到叶轮出口回流的影响，叶轮出口外缘处的环量数值显著增大。通过研究还发现，从叶轮出口流道通过轮毂一侧回流进入叶轮的流体微团具有与叶轮旋转方向相反的圆周速度分量，其环量数值甚至低于同工况下的叶轮进 口环量值。

关键词： 斜流泵 ；非设计工况；叶轮；环量分布；数值模拟中图分类号： TH311 文献标识码 ： A doi：10．3969／j．issn．1005—0329．2013．09．005Circulation Distribution Analysis at Impeller Inlet and Outlet ofM ixed·flow Pump in Part·load OperationOU Ming—xiong，SHI Wei—dong，TIAN Fei，ZHANG De—sheng(Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)Abstract： The three—dimensional flow field of a mixed—flow pump was calculated with RNG k—s model。and the circulations dis-tribution at impeler inlet and outlet in part-load operation were analyzed．The results present that the circulation at impeler inletwas influenced by impeller leading edge at design flow-rate，the circulation distributions were diferent in sampling lines，and thecirculation diferences between sampling lines decreased with recirculation appeared at impeller inlet．The circulation distributionsat impeler outlet were less infl uenced by sampling lines location，there was a equal—circulation distribution at impeler outlet indesign flow rate．The circulations at the outer of impeller increased obviously in part-load operation，which caused by recircula—tion in impeler outlet．A further investigation presents that the flow recirculation at impeller outlet close to hub has a reverse pe—ripheral velocity vector compare with impeller rotation，the circulation values were even lower then the values at impeller inlet inthe same flow．rate.

Key words： mixed—flow pump；part-load operation；impeler；circulation distribution；numerical simulation1 引言斜流泵的水力性能和结构特征介于离心泵和轴流泵之间，具有流量大、扬程高等特点，被广泛用于农业排灌、排涝泵站、市政给排水、电厂循环冷却及舰船喷水推进系统等场合 I2 J。近些年来，随着国内南水北调工程、大型泵站和电站循环水系统等水利设施的建设，尤其是国内在高比转速斜流泵水力模型方面的开发，使得采用优秀斜流泵水力模型的大型循环泵机组得到广泛应用 一 。在以往针对斜流泵的研究中，关醒凡、曹树良和KIM Jin—Hyuk等国内外学者就斜流泵在设计工况点附近的水力性能和内流场特性进行了较多研究，并就高效斜流泵水力模型的获得提出了一些可行的设计和优化方法 。

在工程应用中，对于大型的高比转速斜流泵收稿日期： 2013—05—09基金项目： 国家科技支撑计划项目(2011BAFI4B01)；江苏省成果转化专项资金项目(BA201l126)；江苏高校优势学科建设工程资助2013年第41卷第 9期 流 体 机 械 21机组而言，由于系统管路设计、条件变化和设备选型等因素造成泵机组在非设计工况下运行的情况非常普遍 ，与设计工况点相比，斜流泵在非设计工况下的内部流动更为复杂，随着流量的持续降低，涡旋、流动分离、二次流和失速等现象开始逐渐影响泵内部流场分布特征，导致机组性能显著改变，甚至出现不稳定的性能曲线，影响机组的稳定运行。潘中永、Miyabe M和 Felix A M等曾对斜流泵在非设计工况下的水力性能和内流场特性进行了实验和数值分析研究，并针对非设计工况下的斜流泵性能优化进行了总结 。

根据斜流泵设计理论可知，设计工况下的叶轮进出口环量之差与其理论扬程呈正比例关系，在斜流泵内流场研究中，叶轮进出口的环量分布是衡量其流动情况的主要特征lI， ]。目前，国内外关于斜流泵叶轮非设计工况下的环量变化及分布特征研究还很少，通过针对非设计工况下的叶轮进出口环量变化进行研究，可以为斜流泵非设计工况的性能优化提供参考，以此增加大型斜流泵机组的可靠性。

2 水力参数及数值模型2．1 水力参数及模型本研究采用某高比转速的斜流泵水力模型，其设计点性能参数为：流量 Q。=1450 m ／h，扬程Ho=12．5m，设计转速 n=1450r／min，模型比转速=506。叶轮部件的轮毂和轮缘结构采用球形，可适用于叶片可调的斜流泵机组，叶轮叶片数为4，导叶体叶片数为 7。

该水力模型内部流道较为复杂，为了减少进出口边界对该模型内流场分析的影响，在其模型计算域的进出口管路处进行了适当延伸 ¨ 。根据该水力模型的结构设计，其数值模型的计算域包括进口管、叶轮室、导叶体、出口弯管和出口管五部分，应用软件 Pro—E对其计算域进行了三维造型，其模型计算域如图 1所示。

图 1 斜流泵水力模型计算域2．2 模 型 网格 划 分网格质量是数值分析研究的基础，针对该模型计算域的流道特征，为了获得较好的网格质量，采用混合网格结构对模型的计算域进行网格划分 ¨。在计算域的进、出口管部分采用结构化网格，在叶轮室、导叶体及弯管部分采用非结构化的四面体网格结构，通过网格无关性检测，最终获得合理的网格数量及质量统计如表 1所示。

表 1 计算域网格统计项目 数值单元总数 886656节点总数 316298质量系数 0．1最大倾斜率 0．79最小正交质量 0．29此外，为了准确获得叶轮内流场的分布特征，在计算域模型中考虑了叶顶间隙流动的影响，并使用GAMBIT软件对叶片顶部与叶轮室内壁之间的间隙部分进行了网格加密处理，以提高叶顶间隙网格质量，其网格分布如图2所示。

图2 叶顶间隙加密网格3 数值计算方法及性能分析3．1 数值计算方法数值分析采用商用软件 Fluent进行计算，应用修正的 RNG k一8湍流模型，对流项采用二阶迎风差分格式，扩散项采用中心差分格式，选用SIMPLEC算法进行压力与速度的耦合，壁面采用无滑移边界条件，近壁区流动采用标准壁面函数处理。

在计算域进口采用速度进口边界条件，出口采用 自由出流边界条件，计算残差收敛精度为l0一，同时通过网格划分将壁面无量纲值Y 控制在30—300范围内，根据以往研究经验和结论 ，该22 FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，2013数值模型能够很好的反映该斜流泵内部流场的流动特征 ¨ 。

3．2 水力性能分析按照上述分析方法，分别针对该模型计算域在0．2q 0．4Q。、o．6Q。、o．8q。、1．oq。和 1．2Q。流量点进行数值计算，并将数值分析结果与性能试验值进行对比，其扬程性能曲线如图3所示。

图3 扬程性能曲线比较由图可知，在 o．2Q。一1．2q。流量范围内，数值计算与试验扬程曲线趋势基本一致，数值计算所得扬程数值普遍小于试验值，其中设计点的扬程相对误差约为 2％，o．2q。流量点的扬程相对误差约为5％。在整个流量范围内，该数值分析结果能够准确的反映试验曲线变化特征，并可适用于非设计工况下的数值模拟研究。

4 斜流泵内流场分布特征斜流泵内流场分布特征随着工况的变化而发生相应的改变，尤其在偏离设计点的非设计工况下，随着大尺度回流涡旋的发展，斜流泵内流场分布特征会发生显著的改变。如图4所示，分别为0．2Q。、0．6Q。和 1．oq。流量时斜流泵轴面流线分布。

(a)0．2Q。 (b)0．6Q。 (c)1．oq。

图4 斜流泵内流场流线分布由图4可知，在设计流量点时，斜流泵叶轮、导叶的轴面流线分布较为均匀；在流量为0．6Q。

时，叶轮进口外缘、出口和导叶内出现了明显的回流涡旋现象；当流量降至 o．2q。时，斜流泵叶轮出口和导叶内的回流涡旋显著增大，并几乎 占据了整个叶轮和导叶流道。由此可知，在非设计工况下 ，该斜流泵内流场主要受大尺度的回流涡旋影响，其影响的范围和程度随着流量的降低而增加。

5 叶轮进出口环量分析5．1 进 出口环量采样线为了对不同工况下的叶轮进出口环量分布进行研究，分别在叶轮进、出口靠近叶片工作面、背面及流道中间处各取 3条采样线进行分析，各采样线在叶轮轴面和叶片流道间位置分别如图 5(a)、(b)所示。

(a)轴面线l 线2 线3出口(b)叶片间距流道图5 叶轮进出口环量采样线分布2013年第4l卷第9期 流 体 机 械5．2 叶轮进口环量分析根据数值分析结果，针对0．2Q。、0．6Q。和1．016一 吕面 7一 2O．5 1．0r(a)0．2Q。

Q。流量下叶轮进口采样线环量分布进行统计，其分布曲线如图6所示。

▲6} +线】 ． 6。 ： 蠢 面1}=：=： ： ：．一／ 面2-4[二：二：二：=：==二： -2 —L ．———． ． L． ——．—．
(b)0．6Q。

O．O 0．5r(c)1．OQ。

图 6 叶轮进 口环量统计 曲线r’=(r—r^)／( —r^) (1) 采样线l和3受到叶片进口边绕流的影响，其环式中 r’——采样线上节点的径向位置无量纲数 量值明显偏离坐标轴零点。在 0．2Q。流量时，受r——采样线上节点半径 到回流涡旋的强烈影响，各采样线环量分布趋于r ——采样线靠近轮毂处最小半径 一致，其环量数值随半径的增加而增大。

r ——采样线靠近轮缘处最大半径 5．3 叶轮出口环量分析由图6可知，在设计流量点，叶轮进 口采样线 根据数值分析结果，针对叶轮出口采样线在2上环量均匀分布在零坐标附近，其符合无环量 0．2Q。、0．6Q。和 1．0 流量时的环量分布统计如进口设计条件。在 1．0Q。和0．6Q。流量时，进口 图7所示。

昌咖(a)o．2Q。

暑删r木(b)0．6Q。

昌咖1(c)1．OQ。

图7 叶轮出口环量统计曲线由图7可知，与进口环量相比，叶轮出口各采 (1)在设计流量附近，叶轮进口分布符合无样线环量分布十分接近，其受采样线位置影响较 环量进口设计条件，但不同采样线环量分布曲线小。在设计流量点，叶轮出口各采样线环量呈等 之间具有明显的差值，从而显示进口环量受叶片值分布，符合叶轮出口等环量设计原则。在小流 进口边影响较大。因此，在分析叶轮进口环量时，量时，环量分布受到出口回流的影响，靠近轮毂侧 应考虑到叶片进 口边的影响；的环量数值不断降低，而靠近叶轮外缘的环量数 (2)斜流泵叶轮出口环量分布较为均匀，其值则不断增大。在0．2Q。流量时，采样线上靠近 受叶片出口边影响很小。在设计流量时，叶轮出轮毂侧约70％范围内的环量均为负值，该特征意 口环量分布符合等环量的设计原则，显示了数值味着从叶轮出口沿轮毂一侧通过回流进人叶轮的 分析的可靠性；流体微团具有与叶轮旋转方向相反的圆周速度分 (3)在非设计工况时，受到叶轮进出口的回量 ，该处环量数值甚至低于同工况下的叶轮进 口 流涡旋影响，其进出口环量分布发生显著变化。

最小环量值。 随着流量的降低，叶轮外缘处的环量数值明显增加，而靠近轮毂侧环量数值则逐渐减少，在0．2Q。

6 结论 流量时，叶轮出口靠近轮毂处的环量数值甚至低于同工况下的叶轮进口最小环量值。

24 FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，2013参考文献[1] 关醒凡．现代泵理论与设计[M]．北京：中国宇航出版社，2011.

[2] Gtilich J F．Centrifugal pumps[M]．Berlin：SpringerScience Business Media，2008.

[3] 邴浩，曹树良．混流泵叶轮设计正反问题迭代方法[J]．排灌机械工程学报，2011，29(4)：276-271.

[4] 杨帆，汤方平．大型立式混流泵装置水动力特性数值模拟[J]．水力发电学报，2012，31(3)：217-223.

[5] 施卫东 ，邹萍萍．斜流泵性能预测与叶轮进出口环量分析[J]．农业机械学报，2011，42(9)：94-97.

[6] KIM Jin-Hyuk．An由sis and optimization of a vaneddifuser in a mixed flow pump to improve hydrodynamicperformance[J]．Journal of Fluids Engineering，2012，134(7)：24·30.

[7] Bing Hao，Tan Lei．Prediction method of impeller per-formance and analysis of loss mechanism for mixed—flow pump[J]．Science China Technological Sciences，20l2，55(7)：1988-1998.

[8] 潘中永．斜流泵不稳定特性及旋转失速研究[J]．农业机械学报，2012，43(5)：64-68.

[9] Miyabe M，Furnkawa A．On improvement of character-istic instability and internal flow in mixed flow pumps[J]．Journal of fluid science and technology，2008，3(6)：732-741.

[10]Felix A M，Peter H，Philippe D．CFD calculation of amixed flow pump characteristic from shutof to maxi—mum flow[J]．ASME Journal of Fluids Engineering，2002，124(11)：798-802.

[1 1]Wang Chuulin，Li Changjun．Circulation distribution ofhigh specifc speed mixed-flow pumps[J]．AppliedMechanics and Materials，2012，130(12)：1982—1985.

[12]张德胜．轴流泵叶轮非线性环量分布理论及实验研究[D]．镇江：江苏大学 ，2010.

[13]Rikke K B，Nicholas P．Flow in a centrifugal pump im-peller at design and of-design conditions- part I：large eddy simulations[J]．ASME Journal of FluidsEngineering，2003，125(8)：73-83.

[14]Miyabe M，Furukawa A．On improvement ofcharacter-istic instability and internal flow in mixed flow pumps[J]．Journal of Fluid Science and Technology，2008，3(6)：732-741.

[15]李伟，施卫东，张德胜，等．基于流固耦合方法的斜流泵叶轮强度分析[J]．流体机械，2012，4O(12)：26—29.

[16]张德胜，施卫东，陈斌，等．轴流泵叶轮汽蚀两相流的数值模拟与分析[J]．流体机械，2013，41(4)：25.

29.

[17]高俊峰，邓杰章，王文灿，等．减底渣油泵P-17／1出口弯头爆管失效分析[J]．压力容器，2010，27(1O)：39，50-53.

[18]Zhang Desheng，Shi Weidong．Unsteady flow analysisand experimental investigation of axial—flow pump[J].

Journal of hydrodynamics．2010，22(1)：35．43.

作者简介：欧鸣雄(1983一)，男，博士研究生，主要从事斜流泵水力模型设计和优化研究，通讯地址：212013江苏镇江市江苏大学流体中心。

(上接第9页)[2] 石毅登，田怀璋，张小艳．近共沸混合制冷剂R410A的研究进展[J]．流体机械，2004，32(9)：60—64.

[3] 段雪涛，高凤玲，邬志敏，等．R410A替代R22空调蒸发器的换热性能[J]．河南科技大学学报，2009，30(2)：54-56.

[4] 王勤，陈福胜，朱志伟，等．HFC161混合物作HCFC22替代制冷剂的实验研究[J]．工程热物理学报 ，2009，30(2)：202-204.

[5] 刘荣，陶乐仁，高立博．R410A在内螺纹管内无润滑油沸腾换热实验研究 [J]．制冷学报 ，2011，32(4)：20-24.

[6] 杨世铭，陶文铨．传热学[M]．北京：高等教育出版社，1998.

[7] 靳遵龙，刘东来，刘敏珊，等．超临界 CO：冷却条件下水平微圆管中对流换热特性[J]．压力容器，2012，29(7)：9—13，78.

[8] 曾宪阳，王洪利，马一太．CO：跨临界循环和氟利昂制冷剂循环性能分析[J]．流体机械，2011，39(6)：80．85.

[9] 金从卓，王正，王铁军，等．HLD-40b高温空调混合剂冷却替代研究[J]．流体机械，2011，39(1)：62-64．24.

[10]韩晓霞，南晓红，刘咸定，等．R290与R404A在水平管内沸腾换热的压降研究[J]．制冷学报，2006，27(2)：17-20.

作者简介：张宗楠(1988一)，男，在读硕士研究生，通讯地址：200090上海市杨浦区军工路 516号上海理工大学动力馆 1 13。