多級多出口離心泵的流動能耗計算分析

　　采用CFD技術對多級多出口離心泵的能量損耗進行分析研究。當泵出口設置在多級泵中段時，泵出口下游段泵級出現明顯的大尺度渦旋，級內的液流處于自循環(huán)狀態(tài)造成嚴重能耗。為定量掌握分析該部分能耗，將泵出口后下游段的流動域卸除進行模擬計算及性能預測，與原模型的性能對比得到能量損失結果。計算結果顯示，隨著泵出口下游段級數的增多，泵揚程沒有明顯變化，泵總效率卻顯著下降，但平均每級效率損失減少。

1、前言

　　多級多出口離心泵的結構是在單出口多級泵的基礎上，在某個或幾個中段開設泵出口。因不同的出口產生不同的揚程，用戶可根據工況需求選擇相應的出口，達到一泵多用的效果。該種多級泵在確定某中段位置作為泵出口后，其它出口一般處于封閉狀態(tài)。因此真空技術網(http://genius-power.com/)認為工作出口下游段的泵級內液體將處于自循環(huán)流動狀態(tài)，這就難免做大量的無用功而消耗能量。

　　本文在之前工作的基礎上，采用CFD技術對多級多出口離心泵的能量損耗進行分析研究，為改進水泵的設計和提高水泵的操作性能提供理論依據。

2、流場數值計算

　　2.1、計算方法

　　2.1.1、計算域幾何模型及網格生成

　　以KDW65型4級3出口離心泵作為研究對象，應用pro/e軟件建立流動計算模型(如圖1)。該泵具有1個末級出口，2個中段出口。葉輪葉片數為7，葉片原直徑尺寸是205mm，切割尺寸是186mm(只切割葉片)。徑向導葉的正反導葉葉片數分別為10和6。表1給出了該泵各級的葉片直徑和出口布置情況。

圖1 多級多出口離心泵流動計算域

表1 泵葉輪葉片直徑和泵出口布置

　　將計算域三維實體導入ICEM軟件進行計算網格劃分，選用四面體網格單元，按照既保證計算精度，又避免計算過于耗時的原則確定網格數，總網格數約為1000000。

　　2.1.2、邊界條件及初始條件

　　采用Ansys-CFX軟件模擬計算整機三維流動，選取標準κ-ε湍流模型，壓力和速度的耦合采用SIMPLEC算法。壓力方程的離散采用標準式，動量方程、湍動能與耗散率輸運方程的離散均采用一階迎風格式。迭代計算時，通過設置迭代殘差值和監(jiān)測揚程穩(wěn)定程度判斷計算是否收斂。計算域進、出口邊界分別采用壓力及流量邊界條件，流量根據實際工況決定。對于多級多出口離心泵出口的設置，用戶在使用多級多出口離心泵時，一般不會同時使用幾個泵出口，而是根據實際需要選擇使用某一個泵出口。因此本文的模擬計算也只設置1個出口，其余出口設為壁面。

　　2.2、計算結果及分析

　　分別對多級泵設置不同工作出口進行整機模擬計算。下面以泵出口在第2級為例進行分析。圖2是設計工況下(66.2m³/h)整機及各級的流線分布圖。從圖中可以看到，工作出口上游的流線分布正常，沒有出現較大的漩渦。但在工作出口下游段泵級的流線分布紊亂，出現很多尺度較大的漩渦，如圖2(a)、(c)、(d)所示。工作出口下游段泵級中的液體隨著葉輪的旋轉做自循環(huán)流動，并伴隨有較大的能量損耗。

圖2 多級多出口離心泵內的流線分布

4、結論

　　(1)多級泵工作出口位于中段時，因工作出口下游段的葉輪旋轉使流體自循環(huán)運動，產生了較多大尺度漩渦并伴隨有較大的能量損耗;

　　(2)多級泵的效率損失隨著工作出口下游段級數的增多而增大，即泵出口位置愈往前移，能量損失愈發(fā)嚴重，泵的整體效率下降愈發(fā)明顯，但平均每級的效率損失減少;

　　(3)對多級泵揚程而言，泵工作出口下游段的旋轉葉輪不斷對流體做功，使得揚程基本沒有發(fā)生改變。