2009年9月农业机械学报第40卷第9期自吸泵气液两相流数值模拟分析3刘建瑞　苏起钦(江苏大学流体机械工程技术研究中心,镇江212013) 【摘要】　采用Mixture 多相流模型、Realizable 湍流模型与SIMPL EC 算法,应用CFD 软件Fluent 对内混式自吸泵自吸过程的气液两相流进行了数值模拟。

通过分析不同含气率条件下流场的压力分布、速度分布、气相分布,探讨了气液两相介质在泵内的运动情况,一定程度上揭示了内混式自吸泵自吸过程的内部流场变化规律,为自吸泵的设计提供更多的参考依据。

关键词:自吸泵　气液两相流　数值模拟　自吸性能中图分类号:TH317文献标识码:ANumerical Simulation on G as 2liquid Two 2phase Flow in Self 2priming PumpLiu Jianrui Su Qiqin(Technology and Research Center of Fluid M achinery Engineering ,Jiangsu U niversity ,Zhenjiang 212013,China )Abstract32D simulation was performed for the gas 2liquid two 2phase turbulent flow in self 2priming pump by using Fluent software with Mixture model ,SIMPL EC algorithm and Realizable turbulence model.The gas 2liquid two 2phase flow in self 2priming pump was investigated in the pressure in the pump ,the velocity in the pump ,the distribution of gas and liquid phase in the pump.To some extent ,the results reveal the self 2suction process of the two 2phase flow in self 2priming pump ,and provide references for self 2priming pump design.K ey w ords Self 2priming pump ,G as 2liquid two 2phase flow ,Numerical simulation ,Self 2primingcapability收稿日期:2008210229　修回日期:20092022193国家“863”高技术研究发展计划资助项目(2006AA100211)和江苏省科技支撑计划项目(BE2008381)作者简介:刘建瑞,教授,博士生导师,主要从事流体机械及工程研究,E 2mail :ljrwjj @ 引言自吸离心泵自20世纪60年代开始研究以来发展迅速,产品已成系列。

然而目前自吸泵的理论还不完善。

以往对自吸性能的研究大多采用实验方法,但由于自吸泵自吸过程是气液两相流输送过程,其内部流场较为复杂,而且影响自吸泵自吸性能的因素较多。

采用实验方法势必要耗费大量的人力、物力,而且也难以为自吸泵的设计提供准确而充分的理论依据,因此需要对自吸泵自吸过程的内部流场进行深入研究[1]。

近年来,随着计算流体力学和相应计算软件的发展,对自吸泵的三维数值模拟已成为可能[2]。

本文借助Fluent6.2软件平台提供的Mixture 多相流模型对内混式自吸泵自吸过程的内部流场进行三维数值模拟。

分析泵进口不同含气率条件下的模拟结果,初步揭示内混式自吸泵自吸过程中气液两相流速度场分布、压力场分布、含气率分布规律,以期为自吸泵的优化设计提供更充分的理论依据。

1　数学模型的建立数值模拟所选内混式自吸泵的结构,如图1所示。

111　基本假设(1)假定整个流场相对运动定常,绝对运动有势,且液相为不可压缩流体、气相为不可压缩理想气体。

(2)流场中气泡的直径较小,可以忽略气泡对流图1　自吸泵结构图Fig.1　Sketch of self 2priming pump1.叶轮2.蜗室3.出水管4.排气阀5.S 型进水管6.射流喷嘴7.回流阀场的影响,气泡在运动过程中保持球形,而且气泡间不发生破碎,也不发生聚合作用。

(3)气液两相相间无热量交换发生,系统内无化学反应发生,保持恒温。

(4)内混式自吸泵自吸过程中叶轮进口处的气相在液相中均匀分布且叶轮进口处气液两相具有相同的运动速度[3～4]。

112　Mixture 模型Mixture 模型可用于模拟各相不同速度的两相流或多相流。

混合物模型求解的是混合物的动量方程,并通过相对速度来描述离散相。

混合物模型的连续性方程为55t (ρm)+・(ρm v m )=0(1)混合物的动量方程可以通过对所有相各自的动量方程求和来获得,可表示为55t (ρm v m)+・(ρm v m v m )=-p +・[μm (v m +v Tm )]+ρm g m +F +・∑nk =1αkρk vdr ,k v dr ,k (2)式中　ρm ———混合密度,kg/m 3v m ———质量平均速度,m/sμm ———混合粘性系数,Pa ・sF ———体积力,N n ———相数αk ———第k 相的体积分数ρk ———第k 相的密度,kg/m 3v dr ,k ———第k 相的飘移速度,m/s定义滑移速度v qp 为第二相(p )相对于主相(q )的速度v qp =v p -v q(3)则飘移速度和滑移速度的关系为v dr ,p=v qp -∑nk =1αk ρkρm v qk(4)由第二相(p )的连续性方程,可得第二相的体积分数方程为[5～6]55t (αp ρp)+・(αp ρp v m )=-・(αp ρp v dr ,p )(5)2　数值计算方法对内混式自吸泵自吸过程中叶轮及蜗壳的内部流场进行数值模拟。

考虑到内混式自吸泵自吸过程中进口气液比例连续变化且进口气液比例变化函数难以确定,因此在研究中采用对进口不同含气率条件下分别进行数值模拟的方法来分析内混式自吸泵的自吸过程。

两相流计算的基本参数为:叶轮进口处气体的容积含气率:α=0105,011,…,015;转速n =2900r/min 。

进口混合物体积流量Q mixture =25m 3/s 。

图2　泵内四面体网格的生成Fig.2　Tetrahedron gridgeneration in the pump计算区域网格的生成及边界条件处理:使用Pro/E 软件绘制自吸泵的叶轮与蜗壳的三维造型,保存副本为step 格式文件,再将其导入G ambit 软件进行网格划分。

得到如图2所示的非结构网格,其中叶轮内有159837个网格单元,蜗壳部分有229818个网格单元[7]。

模拟中离散方程的求解采用了SIMPL EC 的算法。

具体计算时将叶轮中的流体区域设在运动坐标系,蜗壳区域设在固定坐标系。

此外,边界条件的设定对计算结果的影响至关重要,本文边界条件设定如下:(1)进口边界条件:采用稳态均匀的进口条件。

按各相体积率输入,入口湍流取值按水力直径大小及湍流强度给定(5%);气泡直径取012mm 。

(2)出口边界条件:采取给定蜗壳出口压力的设置。

(3)壁面条件:流动边界采用无滑移固壁条件,并使用标准壁面函数法确定固壁附近流动[3～7]。

3　计算结果及分析311　压力分布图3所示为泵内静压分布云图(此处只给出α=0、012、013、014的4个静压图)。

模拟计算结果显示叶轮中静压都是沿进口向出口方向即沿径向方向增加,但不同的气液比例条件下沿流道方向的压力梯度有所不同。

此外蜗壳内沿径向方向静压逐渐变大;在扩散管段静压沿流线方向没有变化,但由于两侧曲率半径不同以及流体的惯性作用而使两侧的静压略微不同[8]。

47农　业　机　械　学　报 2009年图3　泵内静压分布云图Fig.3　Static pressure distribution in the pump(a )α=0　(b )α=012　(c )α=013　(d )α=014图4　泵内相对速度分布云图Fig.4　Relative velocity distribution in the pump(a )α=0　(b )α=012　(c )α=013　(d )α=014312　速度分布图4所示为泵内气液混合物相对速度分布云图(此处只给出了α=0、012、013、014时的图)。

模拟计算结果得到在α较小时气液两相流动情况总体上差别不大,说明流动过程中,气液两相因为相间作用耦合,互相影响和带动,这有利于气液两相的输送即有利于自吸泵的自吸。

但在α较大时相对速度分布与α=0时相比有很大变化:在液相中不含气相时叶轮内吸力面区域的相对速度比压力面的大,而图4显示吸力面的相对速度随着α的增大而增大,同时压力面的相对速度则不断减小,尤其在α=013、014的2个图可明显看出叶片压力面区域的相对速度反而要比吸力面的大。

造成这种变化的原因将在下文的含气率分布中作出解释。

图5　泵内气相分布云图Fig.5　G as phase distribution in the pump(a )α=0105　(b )α=011　(c )α=0115　(d )α=012(e )α=0125　(f )α=013　(g )α=014　(h )α=015313　气相分布图5所示为α=0105、011、0115、012、0125、013、014、015时泵内的气相分布云图。

由图5各个图可明显看出叶轮内吸力面区域的含气率比压力面区域的含气率大。

随着α的增大,叶轮吸力面区域的含气率越来越高且高含气率区域不断扩大;尤其57第9期 刘建瑞等:自吸泵气液两相流数值模拟分析当α>014时高含气率区域几乎占据了整个流道。

这是由于自吸泵自吸过程中随着含气率的增大液相流量逐渐减小(自吸泵的设计流量是按完成自吸后正常工作的流量来设计的),因此液相在较大的离心力和惯性力的作用下在刚进叶轮进口后就偏离正常的流线轨迹而作偏向叶片压力面的运动;这就造成气相在刚进叶轮进口后就受液相排挤作用而被迫偏离正常的流线轨迹,与液相相反作偏向叶片吸力面的运动。

蜗壳内静压沿径向方向增大且液相在惯性力作用下大量集中在靠近蜗壳壁面区域,因此在蜗壳内含气率沿径向方向逐渐减小,且在α≥0115的各个图中还可明显看出气相大量聚集在叶轮出口吸力面延伸区域。