采用CFD技術(shù)對(duì)多級(jí)多出口離心泵的能量損耗進(jìn)行分析研究。當(dāng)泵出口設(shè)置在多級(jí)泵中段時(shí)，泵出口下游段泵級(jí)出現(xiàn)明顯的大尺度渦旋，級(jí)內(nèi)的液流處于自循環(huán)狀態(tài)造成嚴(yán)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(dòng)域卸除進(jìn)行模擬計(jì)算及性能預(yù)測，與原模型的性能對(duì)比得到能量損失結(jié)果。計(jì)算結(jié)果顯示，隨著泵出口下游段級(jí)數(shù)的增多，泵揚(yáng)程沒有明顯變化，泵總效率卻顯著下降，但平均每級(jí)效率損失減少。

1、前言

　　多級(jí)多出口離心泵的結(jié)構(gòu)是在單出口多級(jí)泵的基礎(chǔ)上，在某個(gè)或幾個(gè)中段開設(shè)泵出口。因不同的出口產(chǎn)生不同的揚(yáng)程，用戶可根據(jù)工況需求選擇相應(yīng)的出口，達(dá)到一泵多用的效果。該種多級(jí)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(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)認(rèn)為工作出口下游段的泵級(jí)內(nèi)液體將處于自循環(huán)流動(dòng)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(chǔ)上，采用CFD技術(shù)對(duì)多級(jí)多出口離心泵的能量損耗進(jìn)行分析研究，為改進(jìn)水泵的設(shè)計(jì)和提高水泵的操作性能提供理論依據(jù)。

2、流場數(shù)值計(jì)算

　　2.1、計(jì)算方法

　　2.1.1、計(jì)算域幾何模型及網(wǎng)格生成

　　以KDW65型4級(jí)3出口離心泵作為研究對(duì)象，應(yīng)用pro/e軟件建立流動(dòng)計(jì)算模型(如圖1)。該泵具有1個(gè)末級(jí)出口，2個(gè)中段出口。葉輪葉片數(shù)為7，葉片原直徑尺寸是205mm，切割尺寸是186mm(只切割葉片)。徑向?qū)�葉的正反導(dǎo)葉葉片數(shù)分別為10和6。表1給出了該泵各級(jí)的葉片直徑和出口布置情況。

圖1 多級(jí)多出口離心泵流動(dòng)計(jì)算域

表1 泵葉輪葉片直徑和泵出口布置

　　將計(jì)算域三維實(shí)體導(dǎo)入ICEM軟件進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格劃分，選用四面體網(wǎng)格單元，按照既保證計(jì)算精度，又避免計(jì)算過于耗時(shí)的原則確定網(wǎng)格數(shù)，總網(wǎng)格數(shù)約為1000000。

　　2.1.2、邊界條件及初始條件

　　采用Ansys-CFX軟件模擬計(jì)算整機(jī)三維流動(dòng)，選取標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)式，動(dòng)量方程、湍動(dòng)能與耗散率輸運(yùn)方程的離散均采用一階迎風(fēng)格式。迭代計(jì)算時(shí)，通過設(shè)置迭代殘差值和監(jiān)測揚(yáng)程穩(wěn)定程度判斷計(jì)算是否收斂。計(jì)算域進(jìn)、出口邊界分別采用壓力及流量邊界條件，流量根據(jù)實(shí)際工況決定。對(duì)于多級(jí)多出口離心泵出口的設(shè)置，用戶在使用多級(jí)多出口離心泵時(shí)，一般不會(huì)同時(shí)使用幾個(gè)泵出口，而是根據(jù)實(shí)際需要選擇使用某一個(gè)泵出口。因此本文的模擬計(jì)算也只設(shè)置1個(gè)出口，其余出口設(shè)為壁面。

　　2.2、計(jì)算結(jié)果及分析

　　分別對(duì)多級(jí)泵設(shè)置不同工作出口進(jìn)行整機(jī)模擬計(jì)算。下面以泵出口在第2級(jí)為例進(jìn)行分析。圖2是設(shè)計(jì)工況下(66.2m³/h)整機(jī)及各級(jí)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(xiàn)較大的漩渦。但在工作出口下游段泵級(jí)的流線分布紊亂，出現(xiàn)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(jí)中的液體隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)做自循環(huán)流動(dòng)，并伴隨有較大的能量損耗。

圖2 多級(jí)多出口離心泵內(nèi)的流線分布

4、結(jié)論

　　(1)多級(jí)泵工作出口位于中段時(shí)，因工作出口下游段的葉輪旋轉(zhuǎn)使流體自循環(huán)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了較多大尺度漩渦并伴隨有較大的能量損耗;

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

　　(3)對(duì)多級(jí)泵揚(yáng)程而言，泵工作出口下游段的旋轉(zhuǎn)葉輪不斷對(duì)流體做功，使得揚(yáng)程基本沒有發(fā)生改變。