螺旋离心泵叶轮域流体能量损失研究

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1、2014年9月农业机械学报第45卷第9期doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．09．021*螺旋离心泵叶轮域流体能量损失研究李仁年申正精韩伟权辉李琪飞(兰州理工大学能源与动力工程学院，兰州730050)摘要:以螺旋离心泵为研究对象，采用计算流体力学方法，对叶轮内部流场进行数值计算，分析了叶片工作面和背面轮毂、轮缘处的压强和速度分布。定义Ｒothalpy值作为能量损失定量评价的指标，对输送介质为清水和固相体积分数为20%、颗粒粒径为0.076mm的固液两相含沙水在螺旋离心泵叶轮域

2、的能量变化进行了分析，得出叶轮不同位置处能量变化规律。结果表明:叶轮螺旋段头部是整个叶轮域能量转换的过渡区域，螺旋段是叶轮域流体介质能量增加的主要区域，螺旋段中部的壁面摩擦损失对螺旋段做功能力有一定影响，液流在离心段能量损失最大;较输送清水，当输送固相体积分数为20%、颗粒粒径为0.076mm的含沙水时，叶轮做功能力有所提高，在叶轮出口处，两类流体介质的能量趋于均匀。关键词:螺旋离心泵叶轮固液两相流能量损失中图分类号:TH311文献标识码:A文章编号:1000-1298(2014)09-0125-06引言1

3、理论分析及研究方案螺旋离心泵叶轮由螺旋段和离心段两部分组1.1螺旋离心泵结构及工作原理成，进口部分为螺旋叶片，出口部分近似于混流式叶在螺旋离心泵内部，从液流运动状态来看，螺旋片。与普通的离心泵相比，螺旋离心泵具有较高的离心泵叶轮螺旋段使得流体完成从轴向至径向的过水力特性、对固体的承载能力和高效性等优点［1］。渡，液流的轴向速度由大变小，径向速度则相［6－7］螺旋离心泵叶轮把机械能转化成液体能量的过反，螺旋离心泵结构如图1所示。程中伴有水力损失。准确计算叶轮流域水力损失是预测螺旋离心泵水力性能的关键，也是进行

4、螺旋离心泵优化设计的基础。螺旋离心泵叶轮上的水力损失可分为水力摩擦损失和局部损失两种，这与过流部件的几何形状、表面粗糙度、液体粘度和流速等因［2－6］素相关。尽管这方面已经有了很多研究成果，但由于泵内流动的复杂性，要精确计算各项损失很［7－8］困难。定量分析水力机械能量变化规律，建立离心泵内水力损失的计算模型，分析其各部分的能量损失对螺旋离心泵的优化设计尤为重要。图1螺旋离心泵结构示意图本文以螺旋离心泵为对象，通过论证空间坐标Fig．1Structureschematicofscrewcentrifugal

5、pump系下Ｒothalpy值与水力损失之间的关系，并借助计1．入口2．叶轮3．出口4．蜗壳5．泵轴6．吸入壳体算流体动力学(Computationalfluiddynamics，CFD)1.2叶轮流动区域能量分析方法，分别在介质为清水和含沙水工况下计算沿叶为了能定量分析沿叶片型线从进口到出口的能轮轮毂、轮缘的压强分布和相对速度分布，对叶轮各量变化趋势，引入流线上流体微团的相对能量转子部分的能量损失进行分析，以为设计优良性能的螺焓(Ｒothalpy值)概念，根据伯努利方程可得，沿流线旋离心泵提供参考。［8－

6、9］任意点1～2的能量变化公式为收稿日期:2013-08-20修回日期:2013-09-14*国家自然科学基金资助项目(51079066)作者简介:李仁年，教授，博士生导师，主要从事流体机械多相流理论及应用研究，E-mail:lirn@lut．cn126农业机械学报2014年122②数值模拟:在清水和含沙水介质下数值模拟得到wx=mh[2－h1+(C2－C1)+g(z2－z1)](1)2各监测点处的静压和相对速度，计算各监测点处的式中m———流体质量C———绝对速度Ｒothalpy值。③绘制能量变化曲线:以

7、叶片包角为z———该点所在高度g———重力加速度变量绘制沿叶轮轮缘和轮毂流线上的沿程能量变化鉴于z值变化比较小，式(1)中可以考虑将其忽曲线，以分析螺旋离心泵叶轮域能量损失规律。12p略，并定义h0=h+C，h=，p为静压，ρ为流2模型描述及计算方法2ρ体密度。2.1模型泵的参数及网格划分对于以一定角速度旋转的叶轮来说，叶轮对单研究对象为150×100LN-32型螺旋离心泵，其位质量流体做的功，即为泵的欧拉方程，可写为3参数为:流量Q=165m/h，扬程H=32m，转速n=1wxΔwc==U2Cθ2－U1C

8、θ1＞0(2)480r/min。m采用不同网格单元尺度对螺旋离心泵各计算区式中U———牵连速度域分块进行网格划分，网格采用四面体非结构化网C———绝对速度的圆周分量θ［11］格，通过网格无关性检查最终确定整个计算区域由式(1)、(2)可以得到网格总数为469719个，各计算域网格如图3所示。12I=h+C－UC(3)θ2式中I———沿同一流线的流体微团单位能量通常三维运动的绝对速度C可以分为径向、切向和轴向，分别