船用多级泵的水力仿真及汽蚀性能优化分析.pdf

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1、第46卷第1期船海工程Vo1．46No．12017年2月SHIP&0CEANENGINEERINGFeb．2017DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2017．01．014船用多级泵的水力仿真及汽蚀性能优化分析黄书才，穆春玉，杨勤，沈飞，方兵(武汉船用机械有限责任公司，武汉430084)摘要：为预测DCP200-4型船用多级泵的内部流动规律及提高汽蚀性能，对其内部流场进行数值模拟，通过定性和定量分析对诱导轮进行优化设计。结果表明，数值模拟可直观形象地分析多级泵内部流动规律，优化诱导轮可有效提高汽蚀性能。关键

2、词：多级泵；内部流场；数值模拟；汽蚀性能中图分类号：U664．5文献标志码：A文章编号：1671-7953(2017)01-0058-04多级泵因扬程高、占地小等优点被广泛应用2数值计算于石油、化工、电力、农业、矿业等领域。近年来，随着数值仿真技术的发展，对多级泵内部流场进2．1计算域及网格行仿真分析的技术越来越成熟，众多学者取得了计算域及网格划分如图1所示，包括吸水井、一定的研究成果引。这些研究仅分析了内部流进口段、诱导轮、进口导叶、四级叶轮、四级正反导场及外特性，有些甚至只针对某一级或某个部件叶和出水管路7个部分。该计算域与

3、实际工况完(如叶轮、诱导轮、导叶等)进行分析或优化，而对全一致，这样可以使模拟更加逼近真实场景。对全流道进行仿真，以及对多级泵汽蚀性能的优化计算区域采用结构与非结构化网格相结合的方式研究则鲜见报道。进行网格划分，并分别在诱导轮、叶轮和导叶的叶本文研究的DCP200-4型船用多级泵为我公片附近进行局部加密。为排除网格因素对模拟结司自主研发，输送介质为液化石油气(1iquefied果的影响，在设计工况下对网格数进行无关性检petroleumgas，LPG)。石油气具有易燃、易爆，以查，发现当网格总数为260万左右时，泵的扬程、功及易

4、汽化的特点，通常将其加压为液态进行运输。率和效率等均趋于稳定，没有再增加网格的必要。因此，该多级泵对汽蚀性能有很高的要求。对多级泵的内部流场进行三维数值模拟，揭示内部压力场、速度场的变化规律，并通过定性和定量分析，对诱导轮进行优化设计，有效降低汽蚀余量，提高汽蚀性能。1基本参数计算模型是一台比转速为140．8的立式、单图1计算域及其网格划分吸、多级(四级)船用离心泵，其设计参数见表1。2．2控制方程表1DCP200-4型船用多级泵的基本设计参数泵内部流动的介质为LPG，可视为不可压粘性流体，其流体运动视为不可压缩流体的湍流流动。

5、整个过程可用连续性方程、雷诺平均^LS方程、湍动能k，以及湍动能耗散率e的输动方程等控制方程来描述。收稿日期：2016—09—13修回日期：2016—10—242．3计算模型基金项目：国家发改委项目(发改办高技[2o15]1409号)运用CFD技术对该型船用多级泵的内部流第一作者：黄书才(1986一)，男，硕士，助理工程师场进行数值模拟，计算中采用SIMPLEC算法求解研究方向：流体机械设计研发控制方程，采用标准一湍流模型来进行数值模58銎黄书才，等：船用多级泵的水力仿真及汽蚀性能优化分析船第海4工6卷程拟，方程的离散方式采用二

6、阶迎风格式，收敛精度判别泵的汽蚀性能的标准可以有2个，一个为10～。是上面提到的经验公式(4)，Hr的值越小泵2．4边界条件的汽蚀性能越好，和W的值可以在数值模拟的1)进口边界条件。采用质量进口边界条件。结果中提取，但系数和A的取值不一样，得到2)出口边界条件。采用压力出口边界条件。的汽蚀余量将有误差。这个标准可以作近似的定3)壁面边界条件。绝热且无滑移壁面。量分析。另一个是根据相同计算边界的数值结果2．5性能参数的计算得到的泵内压力最低处(一般都在位于叶片背面表征泵的主要性能参数有流量、扬程、功率、进口稍后处)的压力值，最低压

7、力值越大的，汽蚀效率及汽蚀余量等。对该泵的扬程、功率、效率及性能越好，这个标准可以作定性分析。汽蚀余量进行计算如下n。3结果分析扬程的计算公式为3．1压力场分析：[f1)Pg图2为额定工况时的压力场。通过分析可式中：。为出口单位面积平均总压力，Pa；i为人知，由于每级叶轮的出口均n●与露黼正反嘲导誓■—叶■■的I进口相口单位面积平均总压力，Pa；P为流体的密度，连，正反导叶包裹在叶轮外部副，9所3以8经2如6如过1¨叶50轮寸增压∞～kg／m；g为重力加速度，9．8m／s。后，随着级数的增加，正反导叶的静压值呈现均匀功率的计算公

8、式为递增的趋势，并在末级正反导叶达到最大值。也P=Nco(2)就是说，随着级数的增加，扬程呈现规律性的增式中：Ⅳ为泵轴的转矩，Nm；co为角速度，rad／s。加，满足了多级泵适用于高扬程的设计需求。效率的计算公式为pgHoQ。，叼—。式中：Q。为流体的体积流量，