離心泵汽蝕斷裂工況原因的數(shù)值模擬分析李然然

1、油氣田開采安全技術(shù)結(jié)題論文油氣田開采安全技術(shù)結(jié)題論文離心泵汽蝕斷裂工況原因的數(shù)值模擬分析學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：專業(yè)班級(jí)：機(jī)電學(xué)院工碩班任課教師：2015年 6月 2日離心泵汽蝕斷裂工況原因的數(shù)值模擬分析摘要：為研究離心泵發(fā)生汽蝕后出現(xiàn)流量-揚(yáng)程曲線陡降的原因，基于ANSYSCFX軟件應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型、均質(zhì)多相模型和Rayleigh-Plesset方程，對(duì)比轉(zhuǎn)速為59的離心泵在不同工況下其內(nèi)部的汽蝕特性進(jìn)行數(shù)值模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，絕對(duì)誤差為0.02%。流場(chǎng)分析表明，流量-揚(yáng)程曲線下降的原因不是由單純傳統(tǒng)意義上的汽蝕引起的，主要是由于流道內(nèi)的空泡增多到一定

2、程度后使液體發(fā)生邊界層分離產(chǎn)生的漩渦損失而引起的，從漩渦初生時(shí)就開始對(duì)流量-揚(yáng)程產(chǎn)生影響，當(dāng)整個(gè)流道都充滿漩渦時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)汽蝕斷裂工況，初步揭示了泵內(nèi)部汽-液兩相流場(chǎng)的分布規(guī)律。關(guān)鍵詞：離心泵；汽蝕；斷裂工況；數(shù)值模擬 中圖分類號(hào)：TH311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A一、引言汽蝕的產(chǎn)生和發(fā)展會(huì)改變離心泵葉輪流道內(nèi)的速度分布，干擾和破壞離心泵葉輪內(nèi)液體的能量交換，汽泡的潰滅輻射出來的沖擊壓力波將引起泵組的振動(dòng)和噪聲，長時(shí)間的汽蝕會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷葉輪等過流部件。因此，如何改善和提高離心泵的汽蝕性能問題一直是離心泵研究領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。根據(jù)離心泵汽蝕余量的計(jì)算公式來分析影響栗汽蝕特性的因素，確定泵的汽蝕初生以

3、及泵的容許汽蝕運(yùn)行范圍1。根據(jù)汽蝕基本方程導(dǎo)出了離心栗必需汽蝕余量表達(dá)式，研究了變閥調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)與離心栗汽蝕特性之間的理論關(guān)系，文獻(xiàn)35通過分析和控制離心泵進(jìn)口處的流態(tài)來改善離心栗的汽蝕。在數(shù)值模擬分析方面，采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD ) 技術(shù)對(duì)離心栗的汽蝕性能做了比較深人的研究68。 國外應(yīng)用數(shù)值分析、粒子成像測(cè)速技術(shù)(PIV)、振動(dòng)分析等先進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及現(xiàn)代計(jì)算方法對(duì)汽蝕的研究較多911,但還沒有發(fā)現(xiàn)關(guān)于發(fā)生汽蝕時(shí)揚(yáng)程下降及出現(xiàn)汽蝕斷裂工況的原因方面的研究。本文采用CFD數(shù)值模擬對(duì)離心泵葉輪發(fā)生汽蝕后出現(xiàn)流量-揚(yáng)程曲線陡降的原因進(jìn)行研究分析。二、數(shù)值模擬（一）計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分計(jì)算模型為帶

4、蝸殼的離心栗，輸送介質(zhì)為清7JC,其性能參數(shù)為：流量0為15 m3/h;揚(yáng)程H為30 m;轉(zhuǎn)速為2950 r/min;比轉(zhuǎn)速為59;葉片數(shù)為6片。為使模擬結(jié)果更加穩(wěn)定，采用PRO/E 軟件生成三維計(jì)算區(qū)域模型對(duì)葉輪進(jìn)口進(jìn)行適當(dāng)?shù)难由?，整個(gè)模型由一個(gè)動(dòng)葉輪水體、一個(gè)靜止 蝸殼水體及進(jìn)口延伸段水體組成。采用計(jì)算流體力學(xué)流場(chǎng)分析軟件（CFX)中的前處理網(wǎng)格劃分軟件ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格類型采用的是四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉輪的網(wǎng)格數(shù)為 581014,蝸殼網(wǎng)格數(shù)為371367。網(wǎng)格劃分完后，選取ICEM中的smooth功能對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行光順處理。三維網(wǎng)格計(jì)算區(qū)域見圖1。(二)數(shù)值模擬設(shè)置 數(shù)值計(jì)算采用

5、三維定常雷諾時(shí)均Navier- stokes方程和RNG k-方程模型，計(jì)算方法為Segregated隱式方法；泵進(jìn)口采用壓力進(jìn)口條件，通過調(diào)節(jié)進(jìn)口總壓控制泵內(nèi)部汽蝕的發(fā)生程度。 出口條件給定出口質(zhì)量流量，通過出口邊界條件控制模型的質(zhì)量流量。壁面粗糖度設(shè)為10 Jim; 近壁面處選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壁面邊界條件設(shè)為 絕熱無滑移壁面；汽泡平均直徑設(shè)為2 x 1 (T6 m;采用動(dòng)靜雙參考系處理葉輪和蝸殼中的水流運(yùn)動(dòng)問題，葉輪流道區(qū)域采取旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,轉(zhuǎn)速為2950 r/min，蝸殼流道區(qū)域?yàn)殪o止坐標(biāo)系；采用 SIMPLEC算法和二階迎風(fēng)格式離散差分方程進(jìn)行計(jì)算；設(shè)定各個(gè)速度分量、湍動(dòng)能K及湍動(dòng)耗散率

6、的收斂精度為10-511，12;進(jìn)口處水的體積分?jǐn)?shù)設(shè)為1，汽泡的體積分?jǐn)?shù)設(shè)為0。(三)汽蝕斷裂工況 采用CFX，通過調(diào)節(jié)進(jìn)口總壓控制泵內(nèi)部汽蝕的發(fā)生程度，通過Orgin8.0軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行必要的后處理得到圖2所示數(shù)據(jù)，通過觀察發(fā)現(xiàn)，在汽蝕余量（NPSH)較大時(shí)，揚(yáng)程幾乎不變，但 A點(diǎn)起，揚(yáng)程開始出現(xiàn)變化，從B點(diǎn)起出現(xiàn)急劇下降的斷裂工況，為了找出汽蝕斷裂工況出現(xiàn)的原因，本文著重分析A點(diǎn)至C點(diǎn)出現(xiàn)斷裂汽蝕工況時(shí)其內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)情況。三、計(jì)算結(jié)果與分析 運(yùn)用CFX-POST軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行必要的后處 理，獲得所需要的計(jì)算結(jié)果。從圖3中可以看出在葉輪進(jìn)口到葉片進(jìn)口邊之間的流速變化比較大, 而葉片進(jìn)口邊至

7、葉片出口邊間的流速變化不大。圖4為不同工況下壓力變化分布。從圖4中可以看出，葉輪流道內(nèi)壓力隨著葉輪半徑的增大而增大，隨著葉輪半徑的增大而周向分布變得不均勻，局部出現(xiàn)高壓；葉輪末端的流道的中間壓力較低，壓力面和吸力面的附近壓力較高，A點(diǎn)低壓區(qū)范圍小于B點(diǎn)低壓區(qū)范圍，而C點(diǎn)低壓區(qū)大于B點(diǎn)低壓區(qū)的范圍，葉輪內(nèi)部壓力分布合理。圖5為在不同工況下汽體體積分?jǐn)?shù)分布情況。從圖5中可以看出，汽泡相所占體積分?jǐn)?shù)最大的區(qū)域集中在葉片進(jìn)口處附近某一區(qū)域，靠近進(jìn)口處的汽泡相較小，然后沿葉片流道向出口方向逐漸增大，汽泡相分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值后汽泡相分?jǐn)?shù)急劇降低至消失，每個(gè)流道內(nèi)的汽泡相大小不一。在A點(diǎn)工況下，汽泡相區(qū)域呈長條

8、狀分布，只有一 個(gè)流道內(nèi)出現(xiàn)較大的汽泡相，汽泡相區(qū)域占整個(gè) 流道的1/3,開始堵塞葉輪流道的進(jìn)口；在B點(diǎn)工況下，只有一個(gè)流道內(nèi)的汽泡相比較小，其余流道內(nèi)的汽泡相區(qū)域開始堵塞葉輪流道進(jìn)口，在C點(diǎn)工況時(shí)汽泡相區(qū)域已經(jīng)占據(jù)整個(gè)流道的2/3,且汽泡相區(qū)域的形狀也發(fā)生了變化，較小的汽泡相開始向葉輪出口方向延伸。圖6為葉輪內(nèi)部流線云圖。從圖6中可以看出，A點(diǎn)工況下葉輪內(nèi)部的流線比較均勻、穩(wěn)定,只有在汽泡相最大的流道內(nèi)開始出現(xiàn)較少的二次回流，說明此時(shí)的汽泡相已經(jīng)開始影響流道內(nèi)部 的流動(dòng)，而其余的流道內(nèi)雖然有汽泡相的存在，但對(duì)流道內(nèi)部的流動(dòng)影響不大；B點(diǎn)工況時(shí)，在 較大汽泡相區(qū)域后的二次回流開始變大，而其余的

9、流道內(nèi)也開始出現(xiàn)二次回流；C點(diǎn)工況時(shí)，整個(gè)葉輪流道靠近進(jìn)口較大區(qū)域內(nèi)存在汽泡相，而在汽泡相后出現(xiàn)較大的漩渦，對(duì)應(yīng)圖3可知，在C點(diǎn)工況時(shí)，揚(yáng)程出現(xiàn)突降，達(dá)到汽蝕斷裂工況點(diǎn)。因此，揚(yáng)程下降的主要原因是隨著漩渦的變大使得揚(yáng)程下降，出現(xiàn)斷裂工況的主要原因是由于漩渦損失造成的。圖7為葉輪內(nèi)部的壓力變化曲線。 從圖7中 可以看出，整體上壓力變化是經(jīng)過平緩過渡后逐漸變大，在K為7.5 cm時(shí)開始出現(xiàn)波動(dòng)，這說明 從K為7.5 cm時(shí)起就開始受到汽蝕對(duì)葉輪流道內(nèi) 部壓力的影響。K為1115 cm時(shí)，葉輪內(nèi)部壓力波動(dòng)變化比較大，正好對(duì)應(yīng)圖6所示的汽泡相區(qū)域后出現(xiàn)漩渦的位置。在A點(diǎn)工況時(shí)，葉輪內(nèi)部的壓力變化不大，

10、只有在K為13-14.5 cm間出現(xiàn)不大的壓力變化。因此，進(jìn)一步說明，漩渦初生。時(shí)對(duì)葉輪內(nèi)部的壓力變化影響不大；而在B點(diǎn)工況時(shí)，從K為915cm時(shí)，開始出現(xiàn)較大的壓力波動(dòng)。 圖8為葉輪內(nèi)部的速度變化曲線，從圖8中可以看出，葉輪內(nèi)部的速度是逐漸變大的，B點(diǎn)和C點(diǎn)工況時(shí)，速度變化波動(dòng)比較大，且流速也比較高，也是由于受到汽泡相排擠和漩渦的影響，使得葉輪流道內(nèi)的流速增加，且出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，而在A點(diǎn)工況時(shí)的速度變化曲線比較均勻，說明只有汽泡相情況對(duì)葉輪內(nèi)部速度變化影響不大。綜上所述，漩渦的存在是影響葉輪內(nèi)部壓力和速 度變化最重要的因素。四、試驗(yàn)結(jié)果及分析 按GBT 3216-2005回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵水力性能

11、驗(yàn)收試驗(yàn)l級(jí)和2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)在B級(jí)精度試驗(yàn)臺(tái)上 對(duì)離心泵的樣機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)和汽蝕試驗(yàn)。性能試驗(yàn)時(shí)，通過調(diào)節(jié)出口閥門來控制出口的流量，測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9所示。汽蝕試驗(yàn)時(shí)，保持流量不變，通過調(diào)節(jié)進(jìn)口水封閥增加進(jìn)口阻力，逐漸降低泵入口壓力，改變NPSH直至揚(yáng)程降低量達(dá)3，此時(shí)的NPSH即為臨界汽蝕余量。五、結(jié)論 在模擬與試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)離心泵葉輪發(fā)生 汽蝕后會(huì)出現(xiàn)流量。揚(yáng)程曲線陡降的原因進(jìn)行兩 相流定常三維湍流數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論： (1) 離心泵汽蝕的初生階段對(duì)流場(chǎng)的流動(dòng)情況影響不大，且對(duì)流量。揚(yáng)程曲線的影響也不大。(2) 流量。揚(yáng)程曲線是隨著漩渦汽蝕的發(fā)生、發(fā)展變大而下降的。(3) 漩渦汽蝕充滿整個(gè)

12、流道，漩渦汽蝕產(chǎn)生的損失是導(dǎo)致汽蝕斷裂工況產(chǎn)生的主要原因。(4) 通過試驗(yàn)驗(yàn)證得知，通過數(shù)值模擬所得的數(shù)據(jù)與試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)誤差不大，因此，建立的數(shù)值模型和計(jì)算方法是可信的，用數(shù)值模擬的方法對(duì)流量-揚(yáng)程曲線下降及汽蝕斷裂工況產(chǎn)生原因分析是正確的。參考文獻(xiàn)：【1】潘中永，倪永燕，李紅，等.離心泵汽蝕特性分析【J】. 排灌機(jī)械，2008，26(4)：3539 【2】高傳昌，張長富，周兵離心泵汽蝕特性與調(diào)節(jié)工況 的理論研究【J】流體機(jī)械，2001，29(05)：16-19【3】袁建平，何志霞，袁壽其，等進(jìn)口條件對(duì)組合葉輪。性能的影響【J】江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，23(3)：63·6

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