基于VOF方法的自由液面对低扬程轴流泵影响研究

来源:用户上传      作者:马凌腾 贺牧侠

　　摘要：为研究VOF模型对低扬程轴流泵装置水力性能的影响，基于N-S方程，采用SIMPLEC算法和SST k-ω湍流模型，对大型低扬程轴流泵装置进行不同工况下气液两相流非定常数值模拟计算，分析了其进出口流动特性、转轮内部压力、能量特性，对比了是否考虑自由液面以及不同液位差对泵装置水力性能的影响机理。结果表明：考虑自由液面对泵装置的水力性能影响较大，对于进出口流动特性和压力分布、转轮压力分布和能量特性都有一定的改变，且随着液位差的增加各工况下的泵装置进出口压力、转轮叶片压力、以及转轮叶片涡流等呈规律性分布;未考虑自由液面工况下，泵装置的运行效率为84.5%，考虑自由液面工况下，泵装置的运行效率为76.28%，泵装置效率下降近10%。说明在实际运行中，重力因素和自由液面的存在对大型低扬程泵装置影响较大。
　　关键词： 轴流泵; VOF模型; 自由液面; 数值模拟; 液位差
　　中图法分类号：TK734 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.008
　　文章编号：1006 - 0081（2022）01 - 0044 - 06
　　0 引 言
　　轴流泵结构简单，形式多样，主要用于低扬程、大流量泵站 [1-2]。近年来，国内外学者对泵及VOF两相流模型进行了大量研究。例如，Thanapandi等[3]对离心泵启动和停止阶段的瞬态特性进行了理论和实验研究，通过数值模型对泵的动态特性进行了分析，发现泵装置的稳态特性与动态特性有很大的差异。Rohani等[4]针对泵失效引起的瞬态流动，提出了一种点隐式特征值法和一种改进的泵公式。王林锁等[5]总结出泵装置的预测公式，实现了对效率的预测，为模型试验提供理论依据。李彦军等[6-7]推导出可以适用于泵和泵装置的公式，可以对效率换算作出定律表达，为预测泵装置效率提供一定依据。严登丰[8]建立关于泵装置特性参数的数理关系，并总结出了可以适用于模型和实际工程的表达式，实现了解析计算泵装置模型、原型及与泵装置相似模型的汽蚀、扬程、效率等特性。葛强等[9]基于人工神经网络理论提出了对泵性能预测的新方法，预测了20余个泵的性能参数。Lu等[10]为研究CAP1400核主泵气液两相四象限工作特性，简要分析了该泵四象限实验的理论基础。Kiyoshi等[11]基于气泡流模型的离心泵进行了气-水两相流三维计算。李清平等[12]运用双流体模型，并建立叶片式多项泵的方程组，对多相泵内部的气液两相分离和能量间的动态平衡作出了分析。Poullikkas[13]提出了一种基于一维控制容积法的两相流泵扬程计算的改进模型。冯磊等[14]运用VOF模型研究了泵装置启动过程中的气-液两相瞬态流动问题。马涛等[15]利用VOF模型，以泵装置的启动过程为条件，对泵站的进水池进行了三维数值模拟分析，结果发现影响泵装置的运行的因素有进水流向和进水池的三维结构。杨林等[16]根据立式轴流泵装置停机过渡的过程有可能存在的不安全因素，对轴流泵装置进行了三维建模，利用VOF方法进行数值模拟，并使用UDF编译，模拟快速闸门关闭的整个过程。周大庆等[17]运用VOF模型在轴流泵的不同导叶开度工况进行数值模拟，并分析机组段流场以及轴流泵的过流部件存在的水力损失。Kan等[18]对水泵整个流量系统进行了三维非定常数值模拟和模型试验，采用三维VOF方法对上下游水库的水面进行了模拟，发现在系统性能参数和失控速度方面的数值模拟结果与实验数据吻合较好。Soo等[19]采用VOF模型对潮汐电站中的流式轴流泵进行数值模拟，建立了对潮汐电站各流场预测的数值模拟方法。
　　在前人研究基础上，为了进一步探究自由液面对轴流泵装置性能的影响，本文对泵装置的额定工况分别进行了未考虑自由液面和考虑自由液面工况下的数值模拟计算，主要分析了自由液面对大型低扬程轴流泵装置的性能影响。
　　1 几何模型及网格划分
　　本文以大型低扬程轴流泵装置为研究对象。泵装置由明渠进水池、肘型进水流道、转轮部分、导叶区、虹吸式出水流道、明渠出水池等部件构成。轴流泵基本参数见表1。将计算域分为明渠进水池过水层、明渠进水池空气层、进水流道、转轮、导叶、尾水管、明渠出水池过水层、明渠出水池空气层，如图1所示。
　　采用ICEM软件对大型低扬程泵装置模型进行网格划分，为确保计算结果准确，对转轮部分及导叶区进行局部加密，在不同网格数量下计算额定工况的效率，以此进行网格无关性验证，验证结果如表2所示。
　　当网格数量较少时，随着网格数量的增加，计算效率逐渐增加，当网格数量高于250万，效率变化趋势较为平缓，网格数量对大型低扬程泵装置的性能影响较小，其效率差值不超过1%，最后选定模型网格数为252 万，其中肘型进水流道、转轮部分、导叶区、虹吸式出水流道网格数分别为37万、50万、52万、51万。由于本次模拟考虑使用VOF模型，需要对明渠进水池、明渠出水池部分重新网格划分，分别为明渠进水池空气层、过水层及明渠出水池空气层、过水层，该部分的网格数分别为23.8万、57.6万和34.8万、56.2万，综合其他部件的网格，整个计算区域网格数共计362.4万，整体网格及局部网格划分示意如图2～3所示。
　　2 数值计算方法及边界条件
　　2.1 计算方法
　　探究基于气液两相流理论中自由液面对低扬程泵装置影响的关键在于模拟并追踪水流的自由表面，在考虑低扬程泵装置上下水库库区水流重力和自由液面时，上游库区和下游库区均为明渠流流动。因此，本文计算采用商业软件Fluent以及VOF模型，并在泵装置的出水流道前、尾水管后添加明渠流模块，根据实际确定的上下游库区水位和已知的计算液相体积分数，能够较高精度追踪低扬程泵装置自由液面变化规律。利用VOF模型对泵的过流装置进行气液两相流离散求解时，根据体积输移扩散方程建立并求解体积函数V确定自由液面位置。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15423203.htm