离心泵汽蚀断裂工况原因的数值模拟分析李然然

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1、《油气田开采安全技术》结题论文离心泵汽蚀断裂工况原因的数值模拟分析学生姓名：学号：专业班级：机电学院工硕班任课教师：2015年6月2日离心泵汽蚀断裂工况原因的数值模拟分析摘要：为研究离心泵发生汽蚀后出现流量-扬程曲线陡降的原因，基于ANSYSCFX软件应用标准湍流模型、均质多相模型和Rayleigh-Plesset方程，对比转速为59的离心泵在不同工况下其内部的汽蚀特性进行数值模拟，并与试验结果进行对比，结果表明：数值模拟结果与试验结果一致，绝对误差为0.02%。流场分析表明，流量-扬程曲线下降的原因不是由单纯传统意义上的汽蚀引起的，主要是由于流道内的空泡增多到一定程度后使液体发生

2、边界层分离产生的漩涡损失而引起的，从漩涡初生时就开始对流量-扬程产生影响，当整个流道都充满漩涡时，就会岀现汽蚀断裂工况，初步揭示了泵内部汽-液两相流场的分布规律。关键词：离心泵；汽蚀；断裂工况；数值模拟屮图分类号：TH311文献标志码：A—、引言汽蚀的产生和发展会改变离心泵叶轮流道内的速度分布干扰和破坏离心泵叶轮内液休的能量交换，汽泡的溃灭辐射岀来的冲击压力波将引起泵组的振动和噪声，长时间的汽蚀会严重损伤叶轮等过流部件。因此，如何改善和提高离心泵的汽蚀性能问题一直是离心泵研究领域的一个重要研究方向。根据离心泵汽蚀余量的计算公式来分析影响栗汽蚀特性的因素,确定泵的汽蚀初生以及泵的容许

3、汽:蚀运行范围叫根据汽蚀基本方程导出了离心栗必需汽蚀余量表达式，研究了变阀调节和变速调节与离心栗汽蚀特性之间的理论关系，文献[3-5]通过分析和控制离心泵进口处的流态来改善离心栗的汽:蚀。在数值模拟分析方面，采用计算流体力学（CFD）技术对离心栗的汽蚀性能做了比较深人的研究^。国外应用数值分析、粒子成像测速技术（PIV）、振动分析等先进实验技术以及现代计算方法对汽蚀的研究较多a—但还没有发现关于发生汽蚀时扬程下降及出现汽蚀断裂工况的原因方面的研究。本文采用CFD数值模拟对离心泵叶轮发生汽蚀后出现流量-扬程曲线陡降的原因进行研究分析。二、数值模拟（一）计算模型及网格划分计算模型为带蜗

4、壳的离心栗，输送介质为清7JC,其性能参数为：流量0为15m3/h;扬程H为30in;转速为2950r/min;比转速为59;叶片数为6片。为使模拟结果更加稳定，采用PR0/E软件生成三维计算区域模型对叶轮进口进行适当的延伸，整个模型由一个动叶轮水体、一个静止蜗壳水体及进口延伸段水体组成。采用计算流体力学流场分析软件（CFX）中的前处理网格划分软件ICEM进行网格划分，其屮网格类型采用的是四面休非结构化网格，叶轮的网格数为581014,蜗壳网格数为371367o网格划分完后，选取ICEM中的smooth功能对网格进行光顺处理。三维网格计算区域见图1。图1计算区域Fig.1Calcu

5、lationDomain（二）数值模拟设置数值计算采用三维定常雷诺时均Navier-stokes方程和RNGk-£方程模型，计算方法为Segregated隐式方法；泵进口采用压力进口条件，通过调节进口总压控制泵内部汽蚀的发生程度。出口条件给定出口质量流量通过出口边界条件控制模型的质量流量。壁面粗糖度设为lOJim;近壁面处选用标准壁面函数壁面边界条件设为绝热无滑移壁面;汽泡平均直径设为2x1（Tk;采用动静双参考系处理叶轮和蜗壳屮的水流运动问题，叶轮流道区域采取旋转坐标系，转速为2950r/min,蜗壳流道区域为静止坐标系；采用SIMPLEC算法和二阶迎风格式离散差分方程进行计算；

6、设定各个速度分量、湍动能K及湍动耗散率£的收敛精度为10-5[lb叫进口处水的休积分数设为1,汽泡的休积分数设为0。(三)汽蚀断裂工况采用CFX,通过调节进口总压控制泵内部汽蚀的发生程度，通过0rgin8.0软件对结果进行必要的后处理得到图2所示数据，通过观察发现，在汽蚀余量(NPSH)较大时，扬程儿乎不变，但A点起，扬程开始出现变化，从B点起出现急剧下降的断裂工况，为了找出汽蚀断裂工况出现的原因，本文着重分析A点至C点出现断裂汽蚀工况时其内部流场的流动情况。三、计算结果与分析运用CFX-POST软件对结果进行必要的后处理，获得所需要的计算结果。从图3屮可以NPSH/m图2汽蚀性能

7、曲线Fig.2CavitationPerformanceCurvek从叶轮进口列出口的距爲；造成进口前流速不一样的原因足由于叶轮水平进口向纵向岀口流动过程中.由于曲率半径不一样引起的图3叶轮内部速度变化分布Fig.3DistributionofSpeedChangingofImpeller看出在叶轮进口到叶片进口边之间的流速变化比较尢而叶片进口边至叶片出口边间的流速变化不大。图4为不同工况下压力变化分布。从图4中可以看出，叶轮流道内压力随着叶轮半径的增大而增大，随着叶