自吸泵作为离心泵的一种，是依靠叶轮旋转产生离心力来输送液体的泵，广泛应用于化工、农业、电力、食品、消防、市政等部门[1-2]．自吸泵启动后，主要分为自吸阶段和正常工作阶段．文献[3]研究发现叶轮-蜗壳之间相互作用产生的压力脉动是外混式自吸泵稳定性的因素之一．文献[4]对一台立式双级自吸泵的自吸过程进行了非定常的数值模拟研究．文献[5]为提高立式自吸泵的效率探索设计了新型立式自吸泵结构．文献[6]通过两个组合阀门，对自吸蠕动泵进行优化设计，同时分析了自吸过程中压力和流量的关系．文献[7]研究了回流孔面积对外混式自吸泵水力性能的影响，提出对于特定的自吸泵，存在一个最佳的回流孔开孔位置．文献[8]在普通自吸泵的基础上，安装了一套集成的循环射流系统，提高了自吸性能，但设计点的泵效率略有下降．文献[9]对自吸泵启动过程中气液两相流的瞬态过程进行了数值模拟，发现蜗壳开孔具有分流排气的作用．文献[10-12]分别对有无回流孔的普通自吸泵进行了数值模拟分析，得出回流孔是蜗壳内部流动引起压力脉动的主要原因．文献[13]研究了回流孔面积对泵压力波动特性和性能的影响，指出在回流孔出口附近的涡量显著，截面内的非对称流动结构随时间周期性运动．文献[14]通过研究射流自吸泵外场流体动力噪声特性，得出泵体结构的固有频率和泵内流体的压力脉动相互作用是外场噪声产生的主要原因．从现有研究来看，在蜗壳上开设回流孔可以有效改善自吸泵自吸阶段的工作状态，但开法各不相同，回流孔对立式自吸泵内部流动机理的影响有必要进一步探究．针对这些问题，本课题组以外混式立式自吸泵为研究对象，研究了回流孔对立式自吸泵性能的影响．1 计算模型与网格1.1　计算模型研究对象为350WFB-1200-50的气液混合式外混式立式自吸泵，结构如图1所示．10.13245/j.hust.220111.F001图1立式自吸泵结构设计参数：流量Q=1200 m3/h，扬程H=50 m，叶轮进口直径D1=350 mm，叶轮外径D2=455 mm．1.2　方案设计1.2.1　回流孔位置考虑到材料及制作工艺，采用矩形截面蜗壳．回流孔位置开在蜗壳侧方壁面如图2所示．10.13245/j.hust.220111.F002图2回流孔开孔位置示意图由文献[15]提出的回流孔面积经验公式，文献[16]推导得到经验公式S=π1.1~1.82(Q/n)2/3/4，(1)式中：S为面积；Q为流量；n为转速，得出回流孔面积最佳取值范围为3 566~9 549 mm2．回流孔面积取为6 580 mm2．自隔舌起，沿叶轮旋转方向，以每隔20°位置开设回流孔得到15种不同方案，即φ依次取20°，40°，…，300°．对各方案在设计工况下进行数值计算来研究回流孔位置对立式自吸泵水力性能的影响．1.2.2　回流孔面积选择在蜗壳侧方200°位置开设回流孔，共设计10组方案．其中，在式(1)所得回流孔面积范围内设置4组不同面积方案(方案2~5，S=4 147，5 362，7 804，9 032 mm2)；为检验此面积是否为最佳回流孔面积，特增加1组小面积回流孔(方案1，S=2 935 mm2)；5组大面积回流孔(方案6~10，S=102.69，127.69，153.09，178.98，729.54 cm2)．1.3　网格无关性验证首先对流体域进行计算建模，采用适应性强的四面体非结构化网格进行计算流体域的网格划分．为确保数值计算结果的准确性，对立式自吸泵内小尺度区域(如口环间隙、叶轮进口边、回流孔等位置)进行局部加密处理．选取某一方案下计算模型，分别划分5种不同数量体的网格，图3为设计工况下不同网格数(m)的自吸泵扬程．10.13245/j.hust.220111.F003图3设计工况下不同网格数目的自吸泵扬程图3显示：当网格数量达到630万之后，网格数量对立式自吸泵总扬程数值计算结果的影响误差在0.6%以内，满足数值计算精度的要求．本设计方案中网格数量保持在650万左右．表1为最终选用方案计算模型各主流部件的网格尺度及数量，总网格数为6.768 843×106个．10.13245/j.hust.220111.T001表1各主要过流部件的网格尺度及数量主要过流部件网格尺度/mm网格数量/105吸水管166.974 80储液腔163.616 25叶轮65.617 81蜗壳1214.954 93密封叶轮36.433 06密封腔38.102 46气液分离室1211.081 31出水管124.439 732 数值方法2.1　湍流模型为了更好地模拟旋转流、强剪切流、分离流等，选用Realizable k-ε湍流模型，属于两方程涡黏模型．控制方程如下μt=ρCμk2ε，(2)∂(ρk)∂t+∂(ρkui)∂xi=∂∂xjμ+μtσk∂k∂xj+Gk+Gb-ρε+Sk; (3)∂(ρε)∂t+∂(ρεui)∂xi=∂∂xjμ+μtσε∂ε∂xj+C1εεk(Gk+C3εGb)-C2ερε2/k+Sε, (4)式中：ρ为流体密度；Cμ为与应变率联系起来的变量；ui为坐标xi方向上的流体速度分量；xi与xj均为坐标方向，xi≠xj，取值为1，2，3；μ为流体速度；μt为湍动黏度；Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；Gb为由于浮力引起的湍动能k的产生项；Sk和Sε分别为自定义源项；C1ε，C2ε，C3ε，σk和σε为经验常数[17]．2.2　边界条件设置在ANSYS FLUENT中进行立式自吸泵计算模型的算例设置及数值求解．立式自吸泵内部流体介质设置为常温清水，应用SIMPLEC算法求解控制方程，近壁面处理采用标准壁面函数，收敛精度设置为1×10-5．泵内部过流壁面表面粗糙度设置为0.025，进、出口边界条件设置分别是速度进口、自由出流．3 试验验证及分析3.1　试验验证图4为试验装置结构图．循环管路系统采用开式试验台对立式自吸泵样机进行测试．通过压力传感器和电磁流量计得到样机的扬程和流量，采集样机工作流量并通过换算得到立式自吸泵的轴功率．10.13245/j.hust.220111.F004图4试验装置结构图为验证数值计算结果的有效性，选取所设计某一方案模型，分别进行模拟计算和对应样机外特性试验，模拟值与试验值外特性曲线如图5所示，图中：Qd为设计工况流量；η为工作效率．综合分析可知：模拟计算和试验数据误差最大为2.8%，在允许的误差值5%以内，可以较准确地反映实际情况，满足研究需求．10.13245/j.hust.220111.F005图5模型模拟值与试验值外特性曲线3.2　外特性分析为验证回流孔面积是否只能开成式(1)计算得到的数值，或只有在此范围内最优，在蜗壳侧面200°位置处改变回流孔面积并进行外特性分析．在回流孔面积方案5(记为方案b)和9(记为方案c)基础上再加两组不同面积回流孔方案a，d，共4组方案(a~d)作为外特性分析方案，面积S分别为65.80，90.32，178.98和1296.43 cm2．进行多工况下的数值模拟，得到各方案的性能曲线如图6所示，图中P为轴功率．10.13245/j.hust.220111.F006图6各方案的性能曲线由图6可知：此立式自吸泵最大效率工作点在1.2倍设计工况下，此时扬程较设计点下降了将近10%．设计工况下，方案d的效率比方案a降低了1.3%，比方案b高0.1%，方案a比方案c低0.3%；方案a的扬程较方案d高0.9%，较方案c低0.6%，较方案b低0.3%.小流量工况下，方案a和b更优，各方案间效率最大差3.7%(80%设计工况下)，扬程最大相差4.2%(80%设计工况下)．大流量工况下，方案d更优，方案间效率最大相差3.8%，扬程最大相差6%．方案a和b的回流孔面积在经验公式推荐范围内，方案c是在此基础上开设的更大面积的回流孔，而方案d更是开到了将近蜗壳侧面面积的一半．此外，在特性方案中，回流孔最大面积是最小面积的19.7倍，但各方案之间性能曲线趋势一致，数值相近．说明在立式自吸泵正常工作阶段，回流孔面积大小对泵的水力性能影响程度较小，有待于进一步分析其内部流动机理．3.3　流动分析以蜗壳回流孔中心横切得到蜗壳中心截面(图1(a)中A-A截面)作为研究面．3.3.1　回流孔位置回流孔连通着气液分离室及蜗壳．在立式自吸泵正常工作阶段，叶轮旋转做功流至蜗壳内的液体若经回流孔部分泄漏至气液分离室，会造成一定的泄漏损失，影响泵的水力性能．图7和8分别为不同回流孔位置与面积所对应的A-A截面在流动过程中的速度及流线分布图．10.13245/j.hust.220111.F007图7不同回流孔位置A-A截面速度及流线分布(色标单位：m∙s-1)由图7可以看出：在蜗壳侧面不同位置处的回流孔对立式自吸泵内部主流场的流动并没有太大扰动，速度分布极其接近，主要影响气液分离室中的流动．气液分离室内部流场中的液体流动速度很小，几乎静止，流动方向是从气液分离室一侧流至蜗壳内侧或大致形成回流旋涡，对内部主流区域的流动扰动较小．由此可知：气液分离室内的液体阻断了回流孔的泄漏，减少了损失；在立式自吸泵正常工作阶段，回流孔的位置对水力性能的影响是有限的．3.3.2　回流孔面积自隔舌起，沿叶轮旋转方向在蜗壳侧方200°位置开设不同面积回流孔，得到速度及流线分布如图8所示．对立式自吸泵整体而言，回流孔两侧存在明显速度差异．10.13245/j.hust.220111.F008图8不同回流孔面积A-A截面速度及流线分布(色标单位：m∙s-1)对比回流孔不同面积方案下截面的流场情况可知：方案10(S=729.54 cm2)回流孔面积是经验公式推荐值的10倍，回流孔对附近流动扰动也应较其他面积方案大，回流孔泄漏多，水力性能应有明显的变化，但对立式自吸泵的扬程及效率影响并不大．进一步对比各方案数值计算得到的水力性能数据结果可知：效率最大差异为2.8%，扬程最大相差3.4%．这主要是由于回流孔越大，蜗壳越不完整，但气液分离室可以补偿蜗壳的结构，因此回流孔虽然开得很大，但对立式自吸泵整体的内部流动影响并不大．即随着叶轮的旋转，流体从叶轮出口甩至蜗壳中，连通蜗壳与气液分离室的回流孔并没有造成多大的损失．由此可知：在正常工作阶段，回流孔面积对立式自吸泵水力性能的影响较小．3.3.3　回流孔处流动机理由以上分析可知：回流孔位置及面积变化对立式自吸泵水力性能的影响较小．为进一步研究回流孔对泵的内部流动影响，取任一方案进行分析，此处选择回流孔位置φ=140°．分别截取并经后处理获得了过回流孔中心的轴面与A-A截面的流场分布，如图9所示．10.13245/j.hust.220111.F009图9φ=140°回流孔中心轴面与A-A截面的流场分布(色标单位：m∙s-1)由图9可以看出：液体在回流孔两侧流动是不同的，气液分离室中的液体流动与蜗壳中液体的流动并没有复杂的相扰与缠绕．在气液分离室中，液体形成大尺度涡自行流动；在蜗壳中，液体在回流孔处的流线顺滑并没有流至气液分离室中．这主要是由于回流孔靠近气液分离室一侧压力大于蜗壳内部一侧，气液分离室中液体流速很小，主要是静压，这就相当于回流孔外侧气液分离室中的流体形成一堵静压墙，阻断了蜗壳内部流体的外泄漏，减少了立式自吸泵内部能量的损耗，因此在正常工作阶段，回流孔位置及面积对立式自吸泵水力性能的影响较小．4 结论a．蜗壳侧面所开回流孔的周向位置对立式自吸泵水力性能的影响较小，对扬程影响在5.3%以内，对效率的影响在2.1%以内．这是由于回流孔位置主要影响的是气液分离室中的流动，而气液分离室中的流动与蜗壳内的流动在自吸阶段完成后有较清晰的界线．也就是说，回流孔两侧的流动相互干扰很小．由回流孔开在周向位置20°~300°数值计算结果得出：对立式自吸泵正常工作阶段来讲，回流孔位于自隔舌起沿叶轮旋转方向的任一位置均可．b．回流孔面积大小对立式自吸泵水力性能的影响较小，对扬程的影响在3.4%以内，对效率的影响在2.8%以内．这主要是由于在回流孔附近，蜗壳与气液分离室之间虽然存在能量的传递，且回流孔靠近蜗壳出口的一侧较明显，回流孔面积越大(如回流孔φ=200°)，蜗壳结构越不完整，但气液分离室补偿了蜗壳缺失的结构，故对立式自吸泵整体而言，这一变化对其水力性能的影响较小．c．为获得立式自吸泵综合更优的性能，工程实际中可将回流孔开在蜗壳侧方的任一位置；尽管回流孔面积变化对立式自吸泵正常工作阶段的影响较小，但根据实际工程经验可知：回流孔面积越大，立式自吸泵在自吸阶段的气液混合得越好，自吸时间越短，自吸性能越好．可依据实际结构要求将回流孔面积做得较大．