多级多出口离心泵的流动能耗计算分析

　　采用CFD技术对多级多出口离心泵的能量损耗进行分析研究。当泵出口设置在多级泵中段时，泵出口下游段泵级出现明显的大尺度涡旋，级内的液流处于自循环状态造成严重能耗。为定量掌握分析该部分能耗，将泵出口后下游段的流动域卸除进行模拟计算及性能预测，与原模型的性能对比得到能量损失结果。计算结果显示，随着泵出口下游段级数的增多，泵扬程没有明显变化，泵总效率却显著下降，但平均每级效率损失减少。

1、前言

　　多级多出口离心泵的结构是在单出口多级泵的基础上，在某个或几个中段开设泵出口。因不同的出口产生不同的扬程，用户可根据工况需求选择相应的出口，达到一泵多用的效果。该种多级泵在确定某中段位置作为泵出口后，其它出口一般处于封闭状态。因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为工作出口下游段的泵级内液体将处于自循环流动状态，这就难免做大量的无用功而消耗能量。

　　本文在之前工作的基础上，采用CFD技术对多级多出口离心泵的能量损耗进行分析研究，为改进水泵的设计和提高水泵的操作性能提供理论依据。

2、流场数值计算

　　2.1、计算方法

　　2.1.1、计算域几何模型及网格生成

　　以KDW65型4级3出口离心泵作为研究对象，应用pro/e软件建立流动计算模型(如图1)。该泵具有1个末级出口，2个中段出口。叶轮叶片数为7，叶片原直径尺寸是205mm，切割尺寸是186mm(只切割叶片)。径向导叶的正反导叶叶片数分别为10和6。表1给出了该泵各级的叶片直径和出口布置情况。

图1 多级多出口离心泵流动计算域

表1 泵叶轮叶片直径和泵出口布置

　　将计算域三维实体导入ICEM软件进行计算网格划分，选用四面体网格单元，按照既保证计算精度，又避免计算过于耗时的原则确定网格数，总网格数约为1000000。

　　2.1.2、边界条件及初始条件

　　采用Ansys-CFX软件模拟计算整机三维流动，选取标准κ-ε湍流模型，压力和速度的耦合采用SIMPLEC算法。压力方程的离散采用标准式，动量方程、湍动能与耗散率输运方程的离散均采用一阶迎风格式。迭代计算时，通过设置迭代残差值和监测扬程稳定程度判断计算是否收敛。计算域进、出口边界分别采用压力及流量边界条件，流量根据实际工况决定。对于多级多出口离心泵出口的设置，用户在使用多级多出口离心泵时，一般不会同时使用几个泵出口，而是根据实际需要选择使用某一个泵出口。因此本文的模拟计算也只设置1个出口，其余出口设为壁面。

　　2.2、计算结果及分析

　　分别对多级泵设置不同工作出口进行整机模拟计算。下面以泵出口在第2级为例进行分析。图2是设计工况下(66.2m³/h)整机及各级的流线分布图。从图中可以看到，工作出口上游的流线分布正常，没有出现较大的漩涡。但在工作出口下游段泵级的流线分布紊乱，出现很多尺度较大的漩涡，如图2(a)、(c)、(d)所示。工作出口下游段泵级中的液体随着叶轮的旋转做自循环流动，并伴随有较大的能量损耗。

图2 多级多出口离心泵内的流线分布

4、结论

　　(1)多级泵工作出口位于中段时，因工作出口下游段的叶轮旋转使流体自循环运动，产生了较多大尺度漩涡并伴随有较大的能量损耗;

　　(2)多级泵的效率损失随着工作出口下游段级数的增多而增大，即泵出口位置愈往前移，能量损失愈发严重，泵的整体效率下降愈发明显，但平均每级的效率损失减少;

　　(3)对多级泵扬程而言，泵工作出口下游段的旋转叶轮不断对流体做功，使得扬程基本没有发生改变。