基于CFD技术改善离心泵内部空化性能的研究

由于离心泵在实际运行的过程中,空化会降低泵的扬程和效率;空蚀将对离心泵造成极大的破坏并产生噪音和振动。所以空化与空蚀破坏是引起离心泵故障的主要原因之一,如何提高离心泵的空化性能是流体机械研究领域的一个重要的研究方向。 近年来,随着CFD技术的快速发展,从研究离心泵内部流体流动的机理出发,使用数值模拟研究离心泵内部空化流动,利用数值模拟预测的结果来指导改善离心泵内部的空化性能已经成为可能。因此,数值模拟方法已经成为离心泵性能分析、优化设计的一个重要的手段。 本文以CFD技术为基础,应用商业软件FLUENT中的RNG k-ε两方程模型和SIMPLEC算法,采用了Singhal等人发展的一种三维混合流体完整空化湍流模型,对离心泵内部的全流道三维空化流动进行定常数值模拟研究,分析了在同一设计工况下原型离心泵叶轮和3种不同进口参数的叶轮在内部流场的压力、速度、空泡体积分数分布和离心泵整机性能发生的变化,这对离心泵改善其空化性能、优化设计、节能降耗有着重要的意义。得到以下主要结论: 1.为了验证数值模拟计算结果的准确性,先对原型离心泵进行了非空化流动和空化流动的数值模拟,通过把数值模拟结果和试验结果相对比,结果表明预测曲线与试验曲线趋势基本一致,预测值与试验值在设计工况下结果比较吻合,这为下面的工作打下了基础。 2.对原型离心泵全流道内的空化流场进行模拟得到了空化现象主要发生在叶轮内部,而在吸入段和蜗壳段均没有明显的空化现象发生,说明叶轮对泵的空化性能具有重要的影响。从原型离心泵空化余量一扬程曲线中,发现试验值和数值模拟预测值计算结果比较吻合,误差在5%范围内,曲线变化趋势基本一致,说明所选的空化模型能够准确预测离心泵的空化性能,这也说明数值模拟预测可以代替复杂而又麻烦的离心泵空化试验。 3.通过改变叶轮进口尺寸,得出叶轮进口直径有一*值为155mm,这*值的存在对于离心泵的效率的提高和空化余量的降低有着重要的意义。 4.增加叶片的进口安放角,即采用较大的正冲角,使进口的冲角为5°,叶片进口安放角增加到24°,离心泵空化性能得到明显改善。 5.对于高比转速离心泵,叶片进口边流道宽度的增加,空化性能改变不是很明显。

离心泵有立式、卧式、单级、多级、单吸、双吸、自吸式等多种形式。其主要的工作原理有：离心是物体惯性的表现。比如雨伞上的水滴，当雨伞缓慢转动时，水滴会跟随雨伞转动，这是因为雨伞与水滴的摩擦力做为给水滴的向心力使然。但是如果雨伞转动加快，这个摩擦力不足以使水滴在做圆周运动，那么水滴将脱离雨伞向外缘运动。就象用一根绳子拉着石块做圆周运动，如果速度太快，绳子将会断开，石块将会飞出。这个就是所谓的离心离心泵就是根据这个原理设计的。高速旋转的叶轮叶片带动水转动，将水甩出，从而达到输送的目的。