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回流孔面积大小对自吸泵性能影响的研究

更新时间:2016-07-05

自吸泵属于特殊离心泵的范畴,它是指首次启动前只需向泵体内加入一定量的水,无需使进水管充满水,启动后经一定时间可将进水管中气体全部排出。根据气液混合后水回流部位的不同,主要分为2类:内混式与外混式。与普通离心泵相比,它具有气液分离室、蜗壳、回流孔等特殊结构。回流孔位于气液分离室与蜗壳之间,保证了自吸泵在自吸过程中从泵出口排出的气液混合物,在气液分离室进行分离,气体向上通过排气阀排出,液体回流到储液室,通过回流孔流到叶轮出口,再与叶轮出口的气体混合,直到气体全部排出为止。但是当自吸泵正常工作时,回流孔泄漏量会使其容积损失增大,效率下降,影响自吸泵的自吸性能。

针对自吸泵,国内外学者做了大量的研究工作。Shepard[1]归纳性的概述了自吸式离心泵的成长历程。近年来,随着计算流体力学及计算机技术的飞速发展,为我们的研究工作提供了诸多方便。Yedidiah[2]通过实验的方法研究了进口压力对离心泵吸入能力的影响,并发现入口压力较大时吸入性能较好。20世纪90年代期间,范宗霖等[3]、陈茂庆等[4]、仪群等[5]对自吸泵的设计方法、气液分离室的设计、蜗壳回流孔面积大小进行了经验公式计算,推导出自吸时间和自吸高度的计算公式。李红等[6]运用VOF多相流模型并结合滑移网格技术研究了自吸过程的瞬态流动。 2015年,夏丽等[7]研究了蜗壳回流孔的大小和位置对立式自吸泵内部流动特性及泵性能的影响。截止目前,通过已有的研究成果来看,国内外学者更多是通过改善自吸泵的结构来研究自吸泵的外特性,通过设计方法等来提高自吸泵的自吸性能。对于回流孔面积大小、形状及其开孔位置的设计,大多还是运用经验公式估算,而对自吸泵正常工作过程中,回流孔内部流动机理的研究较少。

回流孔在自吸泵的结构中有着重要的意义,回流孔设计的好坏,直接影响自吸泵的自吸性能及其外特性的变化。以下以ZX80-65型外混式自吸泵为例,对自吸泵内部流动特性进行数值模拟分析,并将计算结果与试验数据进行比较,对回流孔处的外特性曲线进行分析,研究回流孔面积大小对外混式自吸离心泵性能的影响,为自吸泵的设计及其水力优化提供参考依据。

1 计算模型的建立及网格划分

1.1 数值计算模型

模型的基本参数:设计流量Q=50 m3/h,扬程H=36 m,转速n=2 950 r/min,效率η=60%,泵进口管径Din=80 mm,泵出口管径Dout=65 mm,叶轮进口直径D1=74 mm,叶轮出口宽度b=14 mm,叶轮出口直径D2=178 mm,叶片数z=6,叶片出口安放角β=25°。根据经验公式[8]计算得出回流孔面积的取值范围为227~490 mm2,分别取4个数据进行分析对比,最后选定310 mm2。回流孔与隔舌之间的角度为210°。

根据模型的基本参数,用Pro/E软件建立三维模型,ZX型自吸离心泵的模型部件如图1所示,主要由吸入段、S型弯管、叶轮、前后泵盖、蜗壳、气液分离室、出口段等部件组成[9]。为了节省资源,得到较好的网格质量,对气液分离室内的导圆角及一些细小的导圆角等进行简化得到了泵的流体域的三维造型。

图1 模型部件 Fig.1 Model components diagram

1.2 回流孔设计方案

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

1.3 网格划分及网格无关性检验

不同方案下回流孔两侧压差在不同工况下的变化情况如图3所示,回流孔两侧压差即为气液分离室压力与蜗壳侧压力的差值。由图3看出,0.6Qd时两侧压差为正值,1.4Qd时两侧压差为负值,说明随着流量的增加,两侧压差存在一个平衡值,且这个值越小越好。陈茂庆等[11-13]的研究表明,对于理想流体来说,这一平衡值越趋近于0,则回流孔处的泄露损失越趋近于0。

划分网格是数值模拟计算的一个重要环节,网格质量好坏及数目多少将影响数值计算的准确度。网格数目越多,则越接近准确值,但网格数目越多,对计算机的要求越高。通过进行网格无关性验证,综合考虑各种因素,取网格数196×104比较合适。

为了验证设计的外混式自吸泵是否满足设计要求,对该型自吸泵试验与数值计算的外特性曲线进行对比,以此验证定常模拟结果的准确性,模拟与实验的外特性曲线对比如图2所示。由图2可以看出,自吸泵定常数值模拟结果与实验所得结果比较接近,额定工况点扬程的偏差在5%以内,效率的偏差在3%以内。模拟的扬程及效率略高于实测值,这是由于模拟过程忽略了泵内的各种损失,由此验证了数值模拟结果的正确性。

2 计算方法、边界条件及模拟可靠性验证

2.1 数值计算方法

用FLUENT 软件对内部流场进行模拟,自吸泵内为不可压缩的湍流流动。模拟系数均采取默认值并设置旋转坐标系,用有限体积法对不可压缩N-S方程进行离散,用SIMPLEC算法对速度和压力进行耦合,用高精度差分格式设置对流项,残差值的收敛标准皆为10-4,模型采用标准k-ε模型。

标准的k-ε两方程[10]分别为:

由图3可以看出,随着流量的增加,各方案下回流孔两侧压差皆逐渐减小。在小流量工况下,回流孔两侧压差较大,在大流量工况下,两侧压差较小。M5曲线最为平缓,在额定工况50 m3/h前后,M4与M5回流孔两侧压差趋近于0.003,几乎为0,说明该2种方案的泄露损失较小,由此得出最佳回流孔面积应介于M4~M5之间。

k输运方程:

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研究针对以下5种方案进行讨论:方案1(M1):无回流孔;方案2(M2):回流孔面积240 mm2;方案3(M3):回流孔面积310 mm2;方案4(M4):回流孔面积360 mm2;方案5(M5):回流孔面积400 mm2

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(1)

ε输运方程:

(2)

2.2 边界条件设置

进口设置为速度进口,其值由入口流量与进口截面面积计算得出,出口为自由出流(outflow)。湍动能k和湍动能耗散率ε根据经验公式计算。自吸泵计算域的壁面均为光滑的水力壁面,固壁边界均为无滑移固壁边界条件,近壁区的流体流动均采用标准壁面函数进行处理。

2.3 模拟结果准确性验证

(3)不断深化我国与国外航空用金属材料标准管理组织、机构的合作交流,及时查漏补缺,更新完善我国航空用金属材料标准化体系。一成不变的标准化管理对航空业来说是非常不利的。持续加强和ASTM 等其他标准化机构的交流合作,是促进我国航空用金属材料标准体系早日与国际接轨的关键。

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图2 模拟与实验的外特性曲线对比 Fig.2 External characteristics curve comparison between simulation and experiment

3 回流孔两侧压差、回流量及外特性曲线分析

通过模拟不同方案在正常工作下的运行情况,根据模拟所得数据绘制回流孔两侧压差、回流量及外特性曲线在不同工况下的变化情况,研究说明回流孔面积大小对外混式自吸泵正常工作性能的影响,以此验证上述的研究成果。

将模型导入专业的网格划分软件ICEM中进行网格划分,创建相应的body、part及interface面。

其中,为所选路径中前往充电的充电站集合;为电动汽车在完全充电状态的容量;为电动汽车在充电站充电电量与总容量的比值;为该充电站的充电功率为充电效率。

图3 不同方案下回流孔两侧压差在不同工况下的变化情况 Fig.3 Pressure difference changes on both sides of reflux hole under different schemes and working conditions

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图4为不同方案下回流孔回流量在不同工况下的变化情况。由图4可看出,随着回流孔面积的增大,回流孔回流量呈增大的趋势。随着流量的增加,各方案下回流孔处的回流量皆逐渐减小,在小流量工况下,回流孔回流量较大,在大流量工况下,回流量较小。泵的回流量大则其泄漏损失大,由图4可知泵在小流量工况下运行时,M5的回流量最大,则其泄漏损失较大,回流孔面积也较大。

图4 不同方案下回流量在不同工况下的变化情况 Fig.4 Reflux quantity changes under different schemes and working conditions

不同方案下该泵的外特性曲线如图5所示。由图5可以看出,随着回流孔面积的增大,扬程、效率皆呈逐渐减小的趋势。M1方案下即无回流孔情况下的扬程、效率较其他几种方案要高,其原因为无回流孔结构,则不存在回流孔处的泄露损失,故M1的扬程、效率较高。回流孔处的泄露损失表现为自吸泵的水力损失,这也就是自吸泵效率普遍较低的原因之一。故回流孔面积的大小对自吸泵的扬程、效率影响较大,对于特定的自吸泵,其回流孔面积存在一个最佳范围,应在保证自吸的前提下,尽量减小回流孔的面积,将回流孔处的泄露损失降到最低。综合分析以上原因,兼顾自吸阶段及正常抽水阶段,ZX80-65型外混式自吸离心泵的回流孔面积大小应介于M4~M5即360~400 mm2之间最佳。

图5 不同方案下该泵的外特性曲线 Fig.5 External characteristic curves of the pump in different schemes

4 结论

(1)随着泵流量的增大,回流孔两侧压差逐渐减小;随着回流孔面积的增大,回流孔两侧压差逐渐减小。

(2)随着泵流量的增大,回流孔处回流量逐渐减小;随着回流孔面积的增大,回流孔处回流量逐渐增大。

[2]Yedidiah S.Analayzing Suction Performance of Centrifugal Pumps[J].Plant Engineering,1974,28(20):69-72.

(4)在自吸阶段,适当增大回流孔的面积,可增大蜗壳回流量,在不改变泵的基本性能的前提下有助于提升其自吸性能。

(5)ZX80-65型自吸泵的最佳回流孔面积为360~400 mm2之间。

参考文献

虽然本土的模式有效地支持整个“价值驱动”的决策过程,但它并不被广泛采用。安永的研究表明,只有27%的公司将统一管理和本土模式结合在一起。

[1] Shepard J.Self-primingpumps:An Overview[J].Word Pumps,2003,(444):21-22.

(3)在额定工况下,回流孔面积为400 mm2时回流孔两侧压差最趋近于0。

既是人像艺术,又是实用广告,时尚而又另类,模特的神韵、气质、气场俱佳。人物、时装、环境结合在一起,氛围别具一格。这些作品都具有很强的艺术独创性和鲜明的艺术个性。90年代末,国内不少人像摄影师已涉足时装摄影或借鉴时装摄影灵活多变的手法来拍摄人像。

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(2)评估单元的开发背景分析。对开发历程的了解与把握,采油厂具有相当大的优势。一个评估单元往往具有较长的开发历程,对这个历程各阶段及其变化的了解程度有助于SEC储量评估的准确性。如某评估单元就是一个典型例子(见图3),单元整个开发历程划分为五个阶段,每个阶段及其转换期的评估参数选取存在较大差异。

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由于健康老人步行的疲劳极限距离(450~500 m)[13]与我国居住小区级公共服务设施的服务半径基本一致,因此可在此范围的核心位置配置小区级养老设施;数个小区级生活圈构成服务半径为800~1 000 m的居住区生活圈,在此区域的核心位置配置居住区级养老设施,据此,建立居住区级—小区级两级配套体系(表2),形成符合老年人生活圈活动规律的高效利用养老服务圈.

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[13] 陈茂庆,吴卫东.回流孔对自吸离心泵自吸性能影响的研究[J].水泵技术,1998,31(1):26-30.

马希金,张亚琼,崔生磊,张潮,蔺尚杰
《甘肃科学学报》 2018年第02期
《甘肃科学学报》2018年第02期文献

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