水环泵内汽液两相流动的研究及其性能优化

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水环泵内汽液两相流动的研究及其性能优化

摘要

近些年来，对水环真空泵内部流动性能的研究相对比较少，水环真空泵内的两相流动远比一般叶片泵的流动要复杂的多：首先，泵内具有一个大小形状未知的汽液两相分界面。其次，泵内的两相流动是随时间显著变化的，转子叶片的受力也是随着时间变化的。再次，常规叶片泵内各流道的流动基本相同，一般只需分析一个流道即可，而水环泵中每个叶片流道内的两相流动是完全不同的。而且还存在着耗能高、效率偏低、叶片损坏严重等问题。

关键词：水环泵；汽液两相流动；流道；效率

一、国内外研究现状和发展趋势

(1)、国外研究现状和发展趋势

在国际上，所有液环泵产品从结构上分，可分成两大流派，一种为锥体结构，另一种平板结构。锥体结构以美国纳氏公司产品为代表，平板式结构以德国西门子属下的ELMO公司的液环泵产品为代表。这两个公司生产液环泵已有近百年的历史，两个公司生产的最大规是叶轮直径为1400mm、抽气量500m3/h,泵重在14吨。用于石化行业成套机组的金钢液环泵,他们能生产的最大规是叶轮直径为1000—1200mm、重量约7吨多的规格。

随着各行业对真空产品的需求发展，国外液环泵产品正向大型化、成套性、在较高真空

下有较大抽气量的方向发展。

（2）、国内研究现状和发展趋势

我国生产水环真空泵的厂家很多，如上海纳氏真空设备有限公司、武汉四方泵业有限公司、淄博水环真空泵厂、淄博市真空设备厂、烟台东港耐腐蚀泵有限公司、佛山水泵厂、四川省信达水泵厂等。由于液环泵大部分是铸件，加工要求也不高，属劳动密集型产品，所以国产水环真空泵在价格上有竞争优势。

我国的经济持续发展，相关产业快速发展，以及国家重大装备国产化战略的推进为国内泵行业创造了良好的发展外部条件。泵行业各企业应进一步加强对水环真空泵的运行机理的研究，掌握产品的核心技术才能实现产品的创新发展。通过掌握水环真空泵内部非稳态气液两相流动状况，损耗机理及对泵性能的影响，有针对性的改进设计，提高泵效率等性能参数，缩小体积，减轻重量，降低能耗，才能增强国际市场竞争力。

二、研究方法

Hirts和Nichols于1981年[33]首先提出了VOF方法，它是一种可以处理任意自由面的方法。其基本原理是利用计算网格单元中流体体积量的变化和网格单元本身体积的比值函数F来确定自由面的位置和形状[16]。VOF方法追踪的是网格单元中流体体积的变化，而非追踪自由液面流体质点的运动[3]。若F=1，则说明该单元全部为指定相流体所占；若F=0，则说明该单元为另一相流体所占，相对于前相流体称为空单元；若0＜F＜1时，则该单元称为交界面单元。VOF方法将流体体积函数F设定在单元中心，根据相邻网格的流体体积函数F和网格单元四边上的流体速度来计算流过制定单元网格的流体体积，借此来确定单元内下时刻的流体体积函数，并根据相邻网格单元的流体体积函数F来确定自由面单元内自由面的位置和形状。

已知水环真空泵的几何参数→用Pro/E软件对该泵的主要部件进行三维建模→用Gambit软件对三维模型进行网格划分→采用Fluent和ANSYS软件对其进行数值求解→将实验数据和求解结果进行对比→结果修正。

三、存在问题

(1)、效率低  现有液环泵小规格(叶轮直径<500mm)的效率一般为30％—45％，大规格的泵也只能达到50％或略高。市场上选用的液环真空泵以配套电机功率5.5kW—800kW的规最遍，在很多工业流程中，液环真空泵的电力消耗是生产成本的重要构成部份。以我国目前大量投产的造纸厂为例，一条造纸生产线要配套多台真空泵。一条40万吨／年产量的生产线，液环真空泵的配套总轴功率达3000KW以上，即使一条10万吨／年产量的生产线，液环真空泵的配套总轴功率也达1000KW左右。一个造纸厂一般有多条甚至十多条生产线，液环真空泵电能消耗相当巨大。应用广泛的液环真空泵产品，较低的运行效率与我国目前能源紧张的现状不相适应。

(2)、真空度低  这不仅是因为受到结构上的限制，更重要的是受工作液饱和蒸气压的限制。

四、总结

水环泵内流动是十分复杂的汽液两相流动；而且当前对其研究相对较为薄弱，该两相流动的研究对于水环泵的设计理论的充实和工程具有重要的价值。

本课题采用VOF方法处理和追踪自由面，采用滑移网格的方法处理旋转的叶轮部分和静止的蜗壳、进出口延伸断面之间的关系，固体壁面采用无滑移条件，对流项差分格式采用二阶迎风格式、扩散项采用中心差分格式，RNG k-ε两方程模型，应用PISO算法求解流场。用ANSYS软件对叶片做应力分析。用实验数据对内部流场的数值模拟结果进行校正。是近些年来对水环真空泵内特性研究做得比较全面的一个课题。

参考文献

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