图1 全流场三维模型图
高振军1,2，李 浩3，刘建瑞2，段福义3，苏华山1，常 浩2
（1.三峡大学机械与动力学院水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室，湖北宜昌443000；2.江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏镇江212013；3.中国农业科学院农田灌溉研究所/河南省节水农业重点实验室，河南新乡450002）
摘 要：为研究回流孔径变化对磁力驱动离心泵内部流场及水力性能的影响，分别以6、8、10 mm等3种不同回流孔径的磁力驱动离心泵模型，通过定常、非定常以及流热耦合等数值计算与外特性试验相结合的方法，开展了回流孔径变化对磁力驱动离心泵外特性、内部流场、温度场以及压力脉动特性的影响规律研究。结果表明，①回流孔径的变化对磁力驱动离心泵的扬程、效率及泵内部流场的影响较小，其中随着回流孔径的增大，磁力驱动离心泵扬程及效率呈下降趋势；②回流孔径的变化对冷却循环流道内的流场、温度场以及压力脉动性能的影响较大，其中随着回流孔径的增大，冷却循环流场内的压力分布逐渐减小，湍动能分布呈增大的趋势，冷却循环流道的冷却效果逐渐变强，另外回流孔径变化对传播进入冷却循环流场的压力脉动强度影响较小，对冷却循环流场内的压力脉动衰减速度影响较大。综上可知，回流孔径变化对泵内流场的影响较小，对冷却循环流道内的流动特性影响较大。
关 键 词：磁力驱动离心泵；回流孔径；数值模拟；内部流动特性；压力脉动特性；流热耦合
磁力驱动离心泵是一种无泄漏泵，因其具有全密封、无泄漏的技术特点，近年来广泛应用于农药、化肥等农用化学物质的生产及运输过程。目前，磁力驱动离心泵及冷却循环流道内部流动特性方面的研究侧重于单独针对磁力驱动离心泵泵头或者冷却循环流道内流动特性的研究[1-3]，在考虑到冷却循环流道及前后泵腔在内的磁力驱动离心泵全流场内部流动特性研究方面几乎未见报道。另外，在磁力驱动离心泵设计过程中，泵头部分的设计主要依靠水力设计完成，冷却循环流道的结构主要由磁力驱动联轴器尺寸及形状决定，在完成上述二大部分的设计后，影响冷却循环流道性能的主要几何参数为导流孔及回流孔的直径。为进一步研究冷却循环流道几何参数对磁力驱动离心泵内部流动特性的影响，在磁力驱动离心泵进行全流场内部流动特性研究的基础上，采用定常、非定常以及流热耦合的计算方法重点研究回流孔径变化对泵内部流场及冷却循环流场的影响规律，以期为磁力驱动离心泵冷却循环流道的设计提供一定参考。
磁力驱动离心泵的基本设计参数为：流量Q=250 m3/h，扬程H=36 m，额定转速n=1 450 r/min，效率η=71%。磁力驱动离心泵的计算区域包括泵进口延伸段、叶轮、压水室、磁力驱动联轴器、前泵腔、后泵腔、轴承间隙、导流孔、回流孔、泵出口延伸段等部分。为使计算结果准确，对磁力驱动离心泵进口及出口部分进行适当延伸处理。采用Pro/E造型软件分别对磁力驱动离心泵各过流部件进行三维建模，部分过流部件的三维实体模型如图1所示；采用ICEM-CFD软件对磁力驱动离心泵的各过流部件的三维模型进行网格划分[4-7]。考虑到前后泵腔水体、口环间隙、轴承间隙等处尺寸较小，采用结构化六面体网格对上述计算区域进行划分网格，以确保网格质量满足数值计算要求。另外非结构化四面体网格具有操作简单、自适应性较强等优点，因此进水段、叶轮、蜗壳、出水段等过流部件采用非结构化四面体网格进行划分，划分网格时，应注意对薄壁结构及流体流动变化较大等部位进行网格加密，以提高网格质量，另外在处理结构网格与非结构网格交界时，应注意结构网格与非结构网格的网格尺寸的对接。经过网格无关性分析，确定计算区域网格总数为5 618 310，主要过流部件的网格划分情况如图2所示。
图1 全流场三维模型图
图2 网格划分图
由于导轴承间隙内流体流动的复杂性，若深入研究需考虑的问题较多。兹仅考虑轴承间隙润滑泄漏量，对轴承间隙水体模型进行简化，仅研究偏心率为0、不考虑转子质量的情况下将轴承间隙作为磁力驱动离心泵内部流场的一部分，对其进行数值模拟，研究轴承间隙内部流体流动情况，分析磁力驱动离心轴承间隙泄漏量与运行工况的关系。数值计算过程中，进口边界条件设置为流量进口；出口边界条件设定为压力出口；固体壁面设置为无滑移壁面，近壁面处采用自动壁面函数法，叶轮流道内的水体设置为旋转体，压水室、轴承间隙、冷却循环流道和前、后泵腔内的水体为非旋转体；设置壁面条件时，冷却循环流道、前后泵腔、轴承间隙等水体，与旋转部件接触的壁面将其设置为旋转壁面，旋转速度为泵转速，与固定过流部件接触的壁面将其设置为静止壁面；旋转水体和非旋转水体之间衔接的交界面设置为Frozen Rotor型动静间的交界面，该类型交界面对于2部分水体间的动-静耦合有重要作用，交界面网格间的关联采用CFX软件的GGI方式，热量传输选择全热模型[8]。
隔离套外表面传导和辐射一部分热量，其值较小，在工程应用中可认为磁涡流热全由介质冷却。滑动轴承产生的热量、内磁转子在介质中摩擦损失计算复杂，难以准确求解，由于在研究过程中仅考虑偏心率为0、不考虑转子质量时的情况，该情况下滑动轴承摩擦产生的热量值与涡流发热相比较小，因此为简化计算过程，提高计算效率，数值计算时仅考虑隔离套内的涡流热，将隔离套内表面设置为热源面[3]。初始介质温度设置为常温（298 K），隔离套内壁面（热源面）设置为恒定流入热流通量壁面条件，其他壁面设置为绝热壁面边界条件，设置收敛精度为10-4。
为了精准地掌握不同工况下磁力驱动离心泵内流场瞬态流动特性的变化规律，在各主要流道内布置监测点对其压力脉动变化规律进行监测。在压水室隔舌处附近布置G1、G2、G3三个监测点，用于重点监测隔舌附近叶轮与隔舌发生动静干涉引起的压力脉动变化情况；沿压水室基圆均匀布置W1、W2、W3、W4、W5、W6、W7、W8八个监测点，重点监测叶轮与压水室动静干涉引起的压力脉动变化情况；在叶轮流道内依次选取监测点b1、b2、b3、z1、z2、z3、g1、g2、g3，其中b1、b2、b3位于靠近叶片背面处由叶轮流道进水口向出水口方向依次布置，用于监测叶轮流道内近叶片背面区域压力脉动发展变化情况；z1、z2、z3位于叶轮流道中间处沿叶轮流道进水口向出水口方向依次布置，用于监测叶轮流道处中间位置处压力脉动发展变化情况；g1、g2、g3位于靠近叶片工作面处沿叶轮流道进水口向出水口方向依次布置，用于监测叶轮流道内近叶片工作面处压力脉动变化情况；在导流孔、隔离套间隙及回流孔内分别布置监测点D1、D2、D3、D4、J1、J2、J3、J4以及H1、H2、H3、H4，用于监测冷却循环流道内压力脉动的发展变化情况；在泵进水口靠近叶轮进水口附近壁面处布置监测点I1、I2，用于监测磁力驱动离心泵进水口处的压力脉动变化情况。部分主要监测点的分布及其位置示意如图3所示，其中叶轮流道内的监测点位于叶轮旋转坐标系中，与叶轮一起旋转[8-14]。
图3 磁力驱动离心泵内部监测点分布
按照GB/T3216—2005《回转动力泵水力性能验收试验1级和2级》对磁力驱动离心泵水力性能进行试验[15]，将试验结果与数值模拟结果进行对比分析，磁力驱动离心泵非定常数值计算、定常数值计算结果与试验结果曲线对比图如图4所示。
图4 磁力驱动离心泵非定常数值计算结果对比
由图4可知，非定常数值计算结果、定常数值计算结果与试验结果的数值相差不大，总体变化趋势及相互吻合性较好。设计工况下，定常数值计算、非定常数值计算与试验的扬程值十分接近，非定常计算的效率值与试验值更为接近，说明定常及非定常数值计算能够较好地反映磁力驱动离心泵的内部流动状态，数值计算结果较为可信，数值计算方法具有一定的可靠性。
为了重点研究回流孔径变化对泵内部流场及冷却循环流场的影响规律，采用增大回流孔径，导流孔径保持不变的研究方案。分别选取回流孔径为6、8、10 mm，记为H6、H8、H10，对上述方案进行建模，并对磁力驱动离心泵内部流动进行数值计算，重点研究回流孔径的变化对泵内部流场及冷却循环流场的影响规律，总结回流孔设计规律及方法。
回流孔径对磁力驱动离心泵扬程影响如表1所示，回流孔径对磁力驱动离心泵效率影响如表2所示。由表1和表2可知，回流孔径的变化对磁力驱动离心泵的扬程和效率影响较小，这主要是由于回流孔径取值较小，流经回流孔的冷却循环流量与泵流量相比较数值较小，因此，回流孔径的变化对磁力驱动离心泵扬程和效率的影响较小。另外随着回流孔径的增大，磁力驱动离心泵扬程及效率呈下降趋势。
表1 回流孔径对不同工况下磁力驱动离心泵扬程影响 m
表2 回流孔径对不同工况下磁力驱动离心泵水力计算效率影响
设计工况不同回流孔径下磁力驱动离心泵中截面压力场分布如图5所示，不同回流孔径下磁力驱动离心泵中截面速度场分布如图6所示。
图5 不同回流孔径下磁力驱动离心泵中截面压力场分布
图6 不同回流孔径下磁力驱动离心泵中截面速度场分布
由图5可知，回流孔径的变化对磁力驱动离心泵中截面压力场的总体影响较小，仅在计算模型出口延伸段区域出现小范围的相对低压区域，随着回流孔径的增大，该处区域的面积有增大的趋势。由图6可知，回流孔径的变化对磁力驱动离心泵截面速度场的影响极小，几乎不影响速度场的分布，这主要是因为回流孔径取值较小，冷却循环流量与泵流量相比较数值较小，因此回流孔径的变化对泵内部流场的影响较小。
设计工况不同回流孔径下磁力驱动离心泵冷却循环流场压力分布如图7所示。由图7可知，随着回流孔径的增大，冷却循环流场内的平均压力分布逐渐降低，隔离套表面承受的压力逐渐减小，有利于隔离套的稳定运行，但是随着回流孔径的增大，回流孔内的低压区域面积逐渐增大，在回流孔径为10 mm时达到最大，回流孔内低压区域的面积扩展至隔离套底部区域，该处区域的温度较高，参照汽蚀发生的条件可知，该处区域极易发生汽蚀，汽蚀发生后产生的气泡易击穿隔离套底部，导致介质泄漏事故的发生，影响泵的正常稳定运行。
图7 不同回流孔径下磁力驱动离心泵冷却循环流场的压力分布
设计工况不同回流孔径下冷却循环流场速度分布如图8所示，不同回流孔径下冷却循环流场湍动能分布如图9所示。
图8 不同回流孔径下冷却循环流场速度分布
图9 不同回流孔径下冷却循环流场湍动能分布
由图8可知，随着回流孔径的增大，靠近导流孔出口侧附近的低速区域的面积逐渐增大，靠近隔离套底部的低速区域的面积逐渐减小，回流孔径为10 mm时，隔离套底部附近低速区域的面积最小；另外随着回流孔径的增大，导流孔内介质的流速逐渐增大，这主要是因为随着回流孔径的增大，冷却循环流场内的平均压力分布逐渐降低，导流孔入水口及出水口二侧的压力差增大，导流孔内的流速增大。由图9可知，回流孔径较小时回流孔内流速较大，回流孔内流速增大会进一步恶化叶轮进水口附近的流态；另外回流孔径过小时，冷却循环流量小，影响冷却效果，故回流孔径不能太小。随着回流孔径的增大，导流孔入水口及出水口处的湍动能分布增强，这主要是因为导流孔内流速增大，导致介质在导流孔入水口处的突然收缩状态及导流孔出水口处的突然扩散状态加强，湍动能增大，这也与图8中速度分布规律相一致。
设计工况不同回流孔径下磁力驱动离心泵冷却循环流场温度分布如图10所示。由图10可知，随着回流孔径的增大，冷却循环流场内的平均温度分布逐渐减小，回流孔径为10 mm时，冷却循环流场内的平均温度分布最低，最高温度仅为300.832 K，这主要是因为随着回流孔径的增大，流经冷却循环流场的介质流量增大，介质与隔离套内表面的对流换热增强，导致冷却循环流场内的温度分布逐渐降低。
图10 不同回流孔径下磁力驱动离心泵冷却循环流场温度分布
不同回流孔径下的冷却循环流道内温升及冷却流量变化情况如表3所示。由表3可知，随着回流孔径的增大，冷却循环流量（包含流经轴承间隙的流量）及流经隔离套间隙的流量逐渐增大，隔离套间隙内的平均温度分布减小，最高温度值逐渐降低，与温度分布规律一致。回流管直径较小时，磁力泵冷却循环流道的冷却性能较低，随着回流管直径的增大，冷却循环流道的冷却效果逐渐变强，这主要与由回流管直径变化引起的冷却循环流道两端压差变化及因此导致的冷却循环流量变化有关。
表3 不同回流孔径下的冷却循环流道内温升及冷却流量变化情况
不同回流孔径下隔离套间隙内温度分布如图11所示，不同回流孔径下隔离套间隙内压力分布如图12所示。由图11可知，随着回流孔径的增大，隔离套间隙内的平均温度分布逐渐降低，隔离套间隙内靠近隔离套底部附近高温区域（A）的面积逐渐减小。由图12可知，随着回流孔径的增大，隔离套间隙内的压力分布逐渐减小。综合分析可知，隔离套间隙内靠近隔离套底部的高温区域（A）易发生汽蚀，且随着回流孔径的增大，汽蚀发生的危险越大，回流孔径为10 mm时，隔离套间隙内的压力最低，参考汽蚀发生机理可知，靠近隔离套底部的高温区域（B）最易发生汽蚀。
图11 不同回流孔径下隔离套间隙内温度分布
图12 不同回流孔径下隔离套间隙内压力分布
图13 不同回流孔径下隔离套内表面（热源面）对流换热系数
不同回流孔径下隔离套内表面（热源面）对流换热系数分布如图13所示，图中横坐标表示隔离套内表面进水口与指定计算点长度与隔离套内表面的计算长度的比值，纵坐标为设计工况下隔离套内表面（热源面）对流换热系数的值。
由图13可知，不同回流孔径下隔离套内壁面的对流换热系数变化不大，隔离套中间壁面处大部分区域的换热系数波动变化较小，隔离套内壁面二侧处的对流换热系数变化较大，这主要是隔离套内壁面二侧处位于隔离套间隙进出水口附近，介质流动紊乱影响隔离套内壁面的对流换热。基于对流换热系数的峰值变化趋势来看，随着回流孔径的增大，对流换热系数逐渐增大，隔离套间隙内的冷却效果变好，这与图10的分析结果一致。
设计工况不同回流孔径下G2点压力脉动系数时域图如图14所示，不同回流孔径下G2点压力脉动频域图如图15所示。
图14 不同回流孔径G2点压力脉动系数时域
图15 不同回流孔径G2点压力脉动频域
由图14、图15可知，回流孔径的变化对泵内流场的压力脉动性能影响较小，不同回流孔径下的压力脉动系数及压力脉动的幅值变化很小，这主要是由于冷却循环流道内的压力脉动源为叶轮与蜗壳以及隔舌动静干涉产生的压力脉动，冷却循环流道内的介质流量较小，因回流孔径变化导致的冷却循环流道内介质流量的变化对上述动静干涉作用的影响有限，因此回流孔径的变化对泵内流场的压力脉动性能的影响很小，这也与图5和图6中回流孔径对泵内部流场的影响较小的结论一致。
设计工况不同回流孔径下D4点压力脉动系数时域图如图16所示，不同回流孔径下D4点压力脉动频域如图17所示。由图16、图17可知，设计工况不同回流孔径下导流孔内的压力脉动系数及压力脉动幅值有较小的差别。流孔径为6 mm时，导流孔内D4点的压力脉动幅值最小，随着回流孔径的增大，导流孔内的压力脉动幅值逐渐呈微弱增大的趋势，说明回流孔径的变化对传播进入冷却循环流道内压力脉动强度的影响较小。结合图7、图8、图9可知，回流孔径的变化对导流孔入口处的介质流动状态影响较大，对导流孔入口处的压力脉动的影响较小，因此基本可以推断导流孔入口处的介质流动状态对传播进入冷却循环流道内的压力脉动强度的影响较小，另外回流孔径为10 mm，开始出现较为明显的低频信号，这表明该孔径下轴频的作用开始凸显。
图16 不同回流孔径D4点压力脉动系数时域
图17 不同回流孔径D4点压力脉动频域
设计工况不同回流孔径下隔离套间隙J2点压力脉动系数时域图如图18所示，不同回流孔径下压力脉动频域图如图19所示。
图18 不同回流孔径J2点压力脉动系数时域
图19 不同回流孔径J2点压力脉动频域
由图18及图19可知，回流孔径为6 mm时，隔离套间隙内J2点的压力脉动系数及压力脉动幅值最大，随着回流孔径的增大，隔离套间隙内的压力脉动系数及压力脉动幅值逐渐减小。回流孔径为10 mm时，冷却循环流道内压力脉动衰减的速度最快，随着回流孔径的减小，压力脉动的衰减速度逐渐减小，说明回流管孔径对冷却循环流场的压力脉动的衰减速度的影响较大，这可能与回流孔径变化导致的介质流动状态的变化有关。对比图12发现，回流孔径为6 mm时，隔离套间隙内的压力较大，压力脉动幅值较大，隔离套承受的载荷及交变载荷较大，容易引起隔离套的疲劳失效，随着回流孔径的增大，压力脉动的衰减速度增大，隔离套间隙内的压力及压力脉动幅值减小，隔离套承受的载荷及交变载荷减小，有利于隔离套的稳定运行，但是回流孔径不能过大，因回流孔是在泵轴中心开孔，回流孔径过大时，一方面流入冷却循环流道内的介质流量增大，影响泵效率，另一方面直径过大会影响泵轴的强度，因此在实际设计过程需根据设计需要确定回流孔径。
1）回流孔径的变化对磁力驱动离心泵外特性及内部流场的影响较小，其中随着回流孔径的增大，磁力驱动离心泵的流量扬程呈增大的变化趋势，主要是由于回流孔径取值较小，流经回流孔的冷却循环流量与泵流量相比数值较小。因此，回流孔径的变化对磁力驱动离心泵扬程和效率的影响较小。
2）回流孔径的变化主要影响冷却循环流道内的流场、温度场以及压力脉动性能，其中随着回流孔径的增大，冷却循环流场内的压力分布逐渐减小，湍动能分布呈增大的趋势；另外，回流孔径变化对传播进入冷却循环流场的压力脉动强度影响较小，对冷却循环流场内的压力脉动衰减速度影响较大，这主要是因为回流孔经的变化对冷却循环流道内的循环流量影响较大，循环流量的变化进一步导致了冷却循环流道内其他流动特性的变化。
3）回流孔径为6 mm时，隔离套间隙内的压力较大，压力脉动幅值较大，隔离套承受的载荷及交变载荷较大，容易引起隔离套的疲劳失效，随着回流孔径的增大，压力脉动的衰减速度增大，隔离套间隙内的压力及压力脉动幅值减小，隔离套承受的载荷及交变载荷减小，有利于隔离套的稳定运行，但是回流孔径不能过大，因回流孔是在泵轴中心开孔，回流孔径过大时，一方面流入冷却循环流道内的介质流量增大，影响泵效率，另一方面直径过大会影响泵轴强度。因此，在实际设计过程需根据实际需要确定回流孔径。
在全流场内部流动特性研究时，兹仅考虑了滑动轴承的泄漏情况，并对其做了理想化假设，在磁力驱动离心泵实际工作过程中，滑动轴承工作状态较为复杂，因此在后续工作时可以加强考虑滑动轴承的多工况工作状态时磁力驱动离心泵的全流场计算及流动特性研究。
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Analyzing the Impact of the Diameter of Return-flowing Valve on Flow Field in Magnetically-driven Pump
GAO Zhenjun1,2,LI Hao3,LIU Jianrui2,DUAN Fuyi3,SU Huashan1,CHANG Hao2
(1.College of Mechanical and Power Engineering,Three Gorges University,Yichang 443000,China;2.Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China;3.Farmland Irrigation Research Institute,ChineseAcademy ofAgricultural Sciences/Henan Key Laboratory of Water-savingAgriculture,Xinxiang 450002,China)
Abstract:The effects of the diameter of return-flowing valve onflow field and hydraulic characteristics in magnetic pump were numerically studied in this paper.We examined three diameters:6mm,8mm and 10mm.The internal flow,temperature and pressure distributionsin the pump were numerically simulated under both steady an unsteady conditions with consideration of heat-fluid coupling.The results showed that the change in return-flowing valve diameter had only a minor impact on lift height and efficiency of the pump as well as the flow field,although the lift height and efficiency decreased with the increase in the diameter.Under cooling condition,however,a change in the return-flowing valve diameter could significantly impact flow and temperature fields,as well as pressure fluctuation in the pump.With increase in the diameter,the kinetic energy distribution and cooling efficiency increased,while the pressure distribution decreased.In addition,the diameter of the return-flowing valve had little effect on pressure fluctuation intensity of cooling circulation fluid,but it had a great effect on the release velocity of pressure fluctuation in cooling circulation fluid.Overall,the changes of reflowing valve had a great effect on the flow characteristic of cooling circulation fluid,and have minimal effect on the flow characteristic of magnetic drive pump.
Key words:magnetic drive pump;reflowing valve;numerical simulation;internal flow characteristics;pressure fluctuation;coupled flow and temperature
中图分类号：TH35
文献标志码：A
doi:10.13522/j.cnki.ggps.2017.11.013
高振军，李浩，刘建瑞，等.回流孔径对磁力驱动离心泵内部流动的影响分析[J].灌溉排水学报，2017，36（11）：70-78.
文章编号：1672-3317（2017）11-0070-09
收稿日期：2016-08-30
基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFC0400104）；公益性（农业）行业专项（201503125）；三峡大学人才专项经费项目（2016KJX03）；河南省节水农业重点实验室开放课题（FIRI2017-21-01）；宜昌市科技计划应用基础研究项目（A17-302-a09）
作者简介：高振军（1986-），男，山东日照人。讲师，博士，主要从事节水灌溉技术及流体机械工程研究。E-mail:570186276@qq.com
通信作者：李浩（1987-），男，河南新乡人。助理研究员，主要从事节水灌溉技术研究。E-mail:lee-lh305@163.com
责任编辑：白芳芳
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