捷克 M Sedlá

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带诱导轮的多级水泵非稳态空化现象CFD分析研究 2014.№2

带诱导轮的多级水泵非稳态空化现象CFD分析研究

(捷克) M Sedlá 等

[摘 要] 本文介绍了高转速多级离心泵吸力部分流体空化流动现象的数值模拟。该泵装有一个诱导轮。除了常规重点研究的空化初生和水泵总扬程下降外，本文的CFD分析也研究了空化波动的可能性，并尝试对不同流动条件下空蚀破坏的风险进行量化。本文使用商业CFD软件包ANSYS CFX进行URANS方程与Rayleigh-Plesset模型的耦合求解。采用SST-SAS湍流模型捕捉水泵内部的非稳态现象。本文对模型空蚀风险预测是基于将3D湍流的CFD分析和使用全Rayleigh-Plesset方程对沿选定迹线运动气泡的动态分析的耦合。该模型假定水泵进口的水含有已知数量及已知尺寸分布的汽核。通过气泡溃灭时的耗散能量来评估空蚀潜势（或攻击性）。其中的CFD分析提供了空蚀濒危区域图。在最优流量系数的60%时，当接近于NSPHr值时，可监测到回流涡流中空化的不稳定性。

1 前言

水泵经常在空化状态下运行。判断一台水泵能否在指定的吸入高度工作，通常取决于NPSH3，其中NPSH3值定义为：单级水泵总扬程减少3%后所需要的空化余量。通常业内认可水泵不应在低于该值情况下运行。在某些特定情况下，需要在NPSH3值基础上额外增加几个百分点的裕量（NPSHr=1xx%×NPSH3），这是由于在一些状态下NPSH3非常接近于空化发生的临界净吸入高度（即NPSHb）。尽管如此，NPSH3或者NPSHr通常来说仍远低于初生空化的吸入高度（即NPSHi）。在这种情况下，水泵会遭受空蚀破坏，以及由于空化不稳定（多数在非设计工况下）引起的不必要的噪音和振动。为了改进水泵的空化性能，特使用几种类型的诱导轮。有代表性的是冲角非常小的轴流级。仅安放在首级叶轮的上游。

近来出现了很多关于水泵空化方面的数值模拟和相关试验的研究。然而在这些研究中大部分是关于稳态空化。Kobayashi和Chiba使用大涡模拟法模拟了在空化状态下运行的混流式水泵的叶轮上非稳定水动力，同时Yamamoto和Tsujimoto研究了离心泵中的强烈空化波动。然而在水泵空化不稳定性和空蚀方面，仍缺少相关文献信息。另一方面，我们可以找到大量处理诱导轮空化不稳定性的课题研究，甚至出现在流量设计方面。这样的不稳定性会产生有害于设备运行的

振荡，特别是在高速运行时更是如此。 频率分析是确定空化不稳定性类型的有效工具。它能检测到主频并将它们与转频fΩ进行对比，转频fΩ也是诱导轮叶片流道诱发的基频[1，7－9]。为了检测非稳态空化性能，业内已经长时间广泛使用实验手段。近期在CFD工具开发方面的进步，已经鼓励众多作者（如Berntsen等[10]、Bouziad[11]或Tsujimoto等[12]）检验了非稳态空化现象数值模拟与实验数据的非常良好的一致性。

2 水泵和数值模拟介绍

本文研究的水泵采用无量纲比速度N=0.75，由两级和一个任选的三叶片诱导轮组成，如图1所示。离心泵叶轮有7个叶片，固定部件包含一个导流体，带有8个导叶和8个回流导叶，水泵吸水室装有8个前导叶。本文对该水泵进行全面CFD分析，重点在诱导轮设置方面。因为在两种不同型式（带有和不带诱导轮）下二者最优流量系数有所不同，所以在这里我们将参照相对流量φ/φBEP，其中φBEP为最优效率点时的流量系数。

本文中使用商业软件ANSYS CFD来求解URANS方程。ANSYS CFD软件内含有的Rayleigh-Plesset模块适用于描述同质多相模型体系内的不同相界面间的质量传输。尽管该空化模型是基于高简化并用于球形空泡半径的Rayleigh-Plesset方程，但其对解决问题非常有效，该模型在形成流场结构时空隙系数至关重要，而