不同密度流体介质对离心泵的性能影响

第４０卷第３期　化工机械　３２３　不同密度流体介质对离心泵的性能影响　屈春叶　韩念琛　（太原理工大学）　摘要基于ＦＬＵＥＮＴ数值模拟软件，利用有限体积法对雷诺时均Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程进行离散，选用标　准ｋ－８湍流模型，压力和速度耦合采用ＳＩＭＰＬＥＣ算法，对５种不同密度流体在３种不同工况下分别进　行数值计算，由数值计算结果分析得出离心泵内部三维流场随流体介质密度的变化而变化的规律。同　时，将５种情况下的预测扬程和效率进行对比分析，得出不同密度流体对离心泵外特性的影响情况。相　同流量下，随密度增大，离心泵的轴功率增大。这对于输送不同密度介质时离心泵内流体流动状态的变　化以及离心泵性能的变化起到了指导作用。　关键词　离心泵　密度数值预测　三维流场　中图分类号ＴＱ０５１．２１　文献标识码Ａ　文章编号０２５４￣０９４（２０１３）０３－０３２３－０４　离心泵在工农业生产和国民经济的许多部门　式中Ｐ——雷诺平均静压；　有着广泛的应用，是一种重要的水力机械。进行　ｕ——　方向的速度分量，ｍ／ｓ；　离心泵内部流动特性的研究对于泵的优化设计以　“　——ｆ方向的雷诺平均速度；　及改善泵的运行特性具有重要影响。实现离心泵　Ｖ——ｙ方向的速度分量，ｍ／ｓ；　内部流动的数值模拟，不仅具有理论意义，更具有　Ｗ——ｚ方向的速度分量，ｍ／ｓ；　重要的工程实用价值…。采用ＦＬＵＥＮＴ软件对　Ｐ——流体密度，ｋｇ／ｍ　。　离心泵进行数值模拟分析，传统的ＦＬＵＥＮＴ模拟　采用标准ｋ－ｅ湍流模型：　所采用的工作介质是水，本研究使用的则是不同　：　（　ｅ“　）崛“ｋ　－ｐ６Ｐ　（３）【　　密度的流体介质，目的在于揭示离心泵在不同密　度介质条件下的工作状况。目前，针对离心泵采　湍流扩散方程：　用工作介质为水的数值模拟比较多，也有对其他　＝　ａｘｌ粘度介质的研究，但关于介质的密度对离心泵性　＝一　ｅ（　以　　ｅ　＋差）＋ｃＬ　Ｉ。｝ＧＴ　－　一ｃＬ：２。・ｐ　－Ｔ　　能的影响的研究相对较少　，未能更好地揭示不　ｃ　＝　。（ａｄ￣　　，＋ａ　ｕ，　ｌ，ａｕ　　，　（４）　同的密度对离心泵性能及其内部流场的影响规　其中，　ｋ＝１．０，　。＝１．３，Ｃ　＝０．０９，Ｃｌ　＝　律。为此，笔者采用５种不同密度的流体介质对　１．４４，ｃ２。：１．９２，有效粘性系数／ｚ。　＝　＋　，　。＝　离心泵进行数值模拟，对其内部流场分布及其外　Ｌ２　ｐＣ　＿ｔ＝Ｉｌ，特性的影响进行分析总结，得出相应规律。　，Ｇ　是由于平均速度梯度引起的湍动能七　１　计算模型及边界条件　的产生项。　１．１　控制方程　１．２模型建立及网格划分　连续性方程：　＋　＋丛　：０　（１）　本研究采用的模型参数为：叶轮出Ｅｌ直径　ｄ　ｏｙ　ｏｇ　Ｄ：＝２２５ｍｍ，叶轮出口宽度ｂ：＝８．３ｒａｍ，叶轮进口　ａ　（＿ａｕｉ＋　）］　，　、　动量方程：　型：　＋——　（２）　直径Ｄ。＝８２ｒａｍ，叶片数ｚ＝６，叶片包角１３０。，叶　轮额定转速ｎ＝２　９５０ｒ／ｍｉｎ，蜗壳进口基圆直径　＋屈春叶，女，１９８５年４月生，硕士研究生。山西省太原市，０３００２４。　３２６　化工机械　２０１３焦　３　结论　３．１　采用密度不同的介质时，离心泵内部压力、　参　考　文　献　速度分布规律与清水介质得到的规律是基本一致　［１］　杨倩．基于不同湍流模型的离心泵内部流场数值模　的。可见离心泵流场内部运动的一般规律是不随　拟与分析［Ｄ］．兰州：兰州理工大学，２０１０．　密度变化而变化的。　潘中永，曹英杰．离心泵输送不同粘度流体的数值　３．２外特性曲线的趋势走向也是与密度变化无　分析［Ｊ］．排灌机械，２００９，２７（３）：１６９．　关的，只是数值大小随密度的不同而有所不同。　韩占忠，王敬，兰小平．ＦＬＵＥＮＴ流体工程仿真计算　３．３　同流量下随着密度的增加出口静压力不断　实例与应用［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，　２００４：６．　增加，输出转矩也不断增加，轴功率增大；同一密　关醒凡．现代泵技术手册［Ｍ］．北京：宇航出版社，　度下，随着流量的增加，输出转矩也增大，轴功率　１９９５．　随着增大。　（收稿日期：２０／２一ｌ０．２２，修回日期：２０１２—１１．１５）　Ｔｈｅ　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｆｌｕｉｄ　Ｍ　ｅｄｉａ　ｗｉｔｈ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ　ｏｎ　Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　Ｐｕｍｐ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｑｕ　Ｃｈｕｎ—ｖｅ　．ＨＡＮ　Ｎｉａｎ．ｃｈｅｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ＆Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｆｏ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｂａｓｉｎｇ　ｏｎ　ＦＬＵＥＮＴ　ａｎｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｖｏｌｕｍｅ　ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ　Ｒｅｙｎｏｌｄｓ　ａｖｅｒａｇｅｄ　Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ　ｅｑｕａｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｒｅｔｉｚｅｄ；ａｎｄ　ｔｈｏｕｇｈ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｋ－￣ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ　ｍｏｄｅｌ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ—ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｗｉｔｈ　ＳＩＭＰＬＥＣ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅ　ｆｉｖｅ　ｆｌｕｉｄｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ　ｗｅｒｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ＳＯ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｕｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　ｐｕｍｐ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ｗｈｉｃｈ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆｌｕｉｄ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ｒｅａｃｈｅｄ，ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｈａｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ　ｈｅａｄ　ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ａｔ　ｆｉｖｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｃｏｍ－　ｐａｒｅｄ　ｔｏ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｆｌｕｉｄｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ　ｃａｎ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｔｈｅ　ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　ｐｕｍｐ’Ｓ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ—　ｔｉｃｓ，ａｎｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｆｌｏｗ　ｒａｔｅ，ｔｈｅ　ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　ｐｕｍｐ’Ｓ　ｓｈａｆｔ　ｐｏｗｅｒ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅ．Ｔｈｉｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｔｈｅ　ｇｕｉｄａｎｃｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｌｕｉｄ　ｆｌｏｗ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　ｐｕｍｐ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　ｐｕｍｐ　ｗｈｅｎ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｌｕｉｄｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　ｐｕｍｐ，ｄｅｎｓｉｔｙ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ，３　Ｄ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　（Ｃｏｎｔｉｎｕｅｄ　ｆｒｏｍ　Ｐａｇｅ　３１５）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｔｒｅａｔ　ｔｈｅ　ｏｉｌ　ｓｌｕｄｇｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ，ａ　ｆｌｏｗｓｈｅｅｔ　ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｔｏ　ｂｕｒｎ　ａｔｏｍｉｚｅｄ　ｏｉｌ　ｓｌｕｄｇｅ　ｉｎ　ａ　ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ　ｃｏａｌ　ｂｏｉｌｅｒ．Ｂｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｔｏｍｉｚｅｄ　ｏｉｌ　ｓｌｕｄｇｅ　ｂｕｒｎｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｉｘｉｎｇ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｒａｔｉｏｓ　ｏｆ　ｏｉｌ　ｓｌｕｄｇｅ　ｔｏ　ｃｏａｌ　ｏｎ　ｂｏｉｌｅｒ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｐｏｌｌｕｔａｎｔ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｍａｌｌｅｒ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｆｒａｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｏｉｌ　ｓｌｕｄｇｅ　ｉｓ，ｔｈｅ　ｌｅｓｓ　ｅｎｅｒｇｙ　ｌｏｓｓ　ｐｒｏｄｕｃｅｓ．　Ｔｈｅ　９０％ｗａｔｅｒ　ｆｒａｃｔｉｏｎ　ｈｅｌｐｓ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｕｍ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｍｉｘｉｎｇ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｒａ—　ｔｉｏ．ｔｈｅ　ａｔｏｍｉｚｅｄ　ｏｉｌ　ｓｌｕｄｇｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ　ｗａｓ　ｏｎｌｙ　０．１　７％ｂｅｌｏｗ　ｔｈｅ　ｎｏｒｍａｌ　ｃｏａｌ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｏｎｅ．Ａｔ—　ｏｍｉｚｅｄ　ｏｉｌ　ｓｌｕｄｇｅ　ｂｕｒｎｉｎｇ　ｏｎｌｙ　ｃｏｎｓｕｍｅｓ　０．１４　ｔｏｎ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｐｅｒ　ｔｏｎ　ｏｆ　ｏｉｌ　ｓｌｕｄｇｅ．Ｉｎ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｐｌａｎｔ，ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｃｏｓｔ　ｏｆ　ｔｒｅａｔｉｎｇ　３０，０００　ｔ／ａ　ｓｌｕｄｇｅ　ａｍｏｕｎｔｓ　ｔｏ　４２４８ｔ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｃｏａｌ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｂｌｅｎｄｉｎｇ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｒｉｎｇ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｂｅｎｅｆｉｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ　ｃｏａｌ　ｂｏｉｌｅｒ，ｏｉｌ　ｓｌｕｄｇｅ，ａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ，ｂｌｅｎｄｉｎｇ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ