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1、2014年9月農(nóng)業(yè)機械學報第45卷第9期doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．09．021*螺旋離心泵葉輪域流體能量損失研究李仁年申正精韓偉權輝李琪飛(蘭州理工大學能源與動力工程學院，蘭州730050)摘要:以螺旋離心泵為研究對象，采用計算流體力學方法，對葉輪內(nèi)部流場進行數(shù)值計算，分析了葉片工作面和背面輪轂、輪緣處的壓強和速度分布。定義Ｒothalpy值作為能量損失定量評價的指標，對輸送介質為清水和固相體積分數(shù)為20%、顆粒粒徑為0.076mm的固液兩相含沙水在螺旋離心泵葉輪域
2、的能量變化進行了分析，得出葉輪不同位置處能量變化規(guī)律。結果表明:葉輪螺旋段頭部是整個葉輪域能量轉換的過渡區(qū)域，螺旋段是葉輪域流體介質能量增加的主要區(qū)域，螺旋段中部的壁面摩擦損失對螺旋段做功能力有一定影響，液流在離心段能量損失最大;較輸送清水，當輸送固相體積分數(shù)為20%、顆粒粒徑為0.076mm的含沙水時，葉輪做功能力有所提高，在葉輪出口處，兩類流體介質的能量趨于均勻。關鍵詞:螺旋離心泵葉輪固液兩相流能量損失中圖分類號:TH311文獻標識碼:A文章編號:1000-1298(2014)09-0125-06引言1
3、理論分析及研究方案螺旋離心泵葉輪由螺旋段和離心段兩部分組1.1螺旋離心泵結構及工作原理成，進口部分為螺旋葉片，出口部分近似于混流式葉在螺旋離心泵內(nèi)部，從液流運動狀態(tài)來看，螺旋片。與普通的離心泵相比，螺旋離心泵具有較高的離心泵葉輪螺旋段使得流體完成從軸向至徑向的過水力特性、對固體的承載能力和高效性等優(yōu)點［1］。渡，液流的軸向速度由大變小，徑向速度則相［6－7］螺旋離心泵葉輪把機械能轉化成液體能量的過反，螺旋離心泵結構如圖1所示。程中伴有水力損失。準確計算葉輪流域水力損失是預測螺旋離心泵水力性能的關鍵，也是進行
4、螺旋離心泵優(yōu)化設計的基礎。螺旋離心泵葉輪上的水力損失可分為水力摩擦損失和局部損失兩種，這與過流部件的幾何形狀、表面粗糙度、液體粘度和流速等因［2－6］素相關。盡管這方面已經(jīng)有了很多研究成果，但由于泵內(nèi)流動的復雜性，要精確計算各項損失很［7－8］困難。定量分析水力機械能量變化規(guī)律，建立離心泵內(nèi)水力損失的計算模型，分析其各部分的能量損失對螺旋離心泵的優(yōu)化設計尤為重要。圖1螺旋離心泵結構示意圖本文以螺旋離心泵為對象，通過論證空間坐標Fig．1Structureschematicofscrewcentrifugal
5、pump系下Ｒothalpy值與水力損失之間的關系，并借助計1．入口2．葉輪3．出口4．蝸殼5．泵軸6．吸入殼體算流體動力學(Computationalfluiddynamics，CFD)1.2葉輪流動區(qū)域能量分析方法，分別在介質為清水和含沙水工況下計算沿葉為了能定量分析沿葉片型線從進口到出口的能輪輪轂、輪緣的壓強分布和相對速度分布，對葉輪各量變化趨勢，引入流線上流體微團的相對能量轉子部分的能量損失進行分析，以為設計優(yōu)良性能的螺焓(Ｒothalpy值)概念，根據(jù)伯努利方程可得，沿流線旋離心泵提供參考。［8－
6、9］任意點1～2的能量變化公式為收稿日期:2013-08-20修回日期:2013-09-14*國家自然科學基金資助項目(51079066)作者簡介:李仁年，教授，博士生導師，主要從事流體機械多相流理論及應用研究，E-mail:lirn@lut．cn126農(nóng)業(yè)機械學報2014年122②數(shù)值模擬:在清水和含沙水介質下數(shù)值模擬得到wx=mh[2－h(huán)1+(C2－C1)+g(z2－z1)](1)2各監(jiān)測點處的靜壓和相對速度，計算各監(jiān)測點處的式中m———流體質量C———絕對速度Ｒothalpy值。③繪制能量變化曲線:以
7、葉片包角為z———該點所在高度g———重力加速度變量繪制沿葉輪輪緣和輪轂流線上的沿程能量變化鑒于z值變化比較小，式(1)中可以考慮將其忽曲線，以分析螺旋離心泵葉輪域能量損失規(guī)律。12p略，并定義h0=h+C，h=，p為靜壓，ρ為流2模型描述及計算方法2ρ體密度。2.1模型泵的參數(shù)及網(wǎng)格劃分對于以一定角速度旋轉的葉輪來說，葉輪對單研究對象為150×100LN-32型螺旋離心泵，其位質量流體做的功，即為泵的歐拉方程，可寫為3參數(shù)為:流量Q=165m/h，揚程H=32m，轉速n=1wxΔwc==U2Cθ2－U1C
8、θ1＞0(2)480r/min。m采用不同網(wǎng)格單元尺度對螺旋離心泵各計算區(qū)式中U———牽連速度域分塊進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用四面體非結構化網(wǎng)C———絕對速度的圓周分量θ［11］格，通過網(wǎng)格無關性檢查最終確定整個計算區(qū)域由式(1)、(2)可以得到網(wǎng)格總數(shù)為469719個，各計算域網(wǎng)格如圖3所示。12I=h+C－UC(3)θ2式中I———沿同一流線的流體微團單位能量通常三維運動的絕對速度C可以分為徑向、切向和軸向，分別
