电站锅炉给水泵性能的数值模拟

【摘 要】 阐述电站锅炉给水泵的基本理论，建立给水泵的二维模型，采用RNG k-ε湍流模型，应用大型商用CFD软件FLUENT对叶轮内的流场进行了数值模拟，得到给水泵内部的流动性能，例如动压分布、速度分布以及湍流强度等，结果表明：蜗壳内部分区域湍流强度较大，相应区域容易发生汽蚀，这是影响水泵寿命的主要原因。所得结论可为锅炉给水泵的日常维护与设计优化等工作，提供一定的参考依据。

【关键词】 锅炉给水泵 二维模型 湍流 模拟

【Abstract】 Describes the basic power plant boiler feed pump theory， to a two-dimensional model of the pump， using RNG k-ε turbulence model， large-scale commercial application of CFD software FLUENT impeller flow field within the numerical simulation， the flow properties of the internal feed pump， such as dynamic pressure distribution， velocity and turbulence intensity distributions， the results show： a large part of the region within the volute turbulence intensity， the corresponding region prone to cavitation， which is the main impact of the pump life. Its analysis and conclusions can be to overhaul the pump design optimization work to provide references.

【Key words】 Boiler feed pump； two-dimensional model； turbulence； simulation

1 引言

给水泵是电站的主要辅助设备之一，同时也是耗电最多的辅机，随着近些年电站机组的扩大，这个特征更加显著化，如果设计与维护不当，将会带来较大的能量耗费，对电站的经济性运行带来影响。所以，在新时期的市场经济背景下，对电站锅炉给水泵进行内部流动性能研究，显得尤为重要，并且要按照实际状况，确定优化设计方案以加强日常维护工作，也是当前的重要工作[1]。

近年来，已有多位相关学者对水泵做过一系列的研究，朱荣生、付强[2]等通过两相流的混合模型，对水泵叶轮内的汽蚀流场做了数值分析；李伟、施卫东[3]等采用计算流体动力学软件CFX对冷却水泵的湍流流场进行了模拟；何增光、杨桂利[4]等探讨了提高电站锅炉给水泵效率的策略，为改善电站机组的经济性运行提供借鉴意义。由于试验条件有限等不利因素的限制，水泵内部流动特性不能进行实时的分析，本文运用FLUENT软件，基于RNG k-ε湍流方程，结合有限体积法对控制方程进行离散，在水泵转速为1280rpm的工况下，对给水泵内部流场进行仿真模拟，并将仿真结果与试验数据进行对比分析，为电站锅炉给水泵的优化设计及日常维护工作提供相应的参考依据[5]。

2 模型的建立

2.1 物理模型

按照给水泵的实际研究结构和尺寸，利用AutoCAD软件建立物理模型，使其与实物的尺寸相符，所要研究的计算区域及相应的尺寸如图1和表1所示：

2.2 数学模型及边界条件的设定

2.2.1 数学模型

采用FLUENT6.3研究给水泵叶轮内的流场，利用gambit 软件进行网格的划分，得到的网格数目约为1.5万，增加两次网格的数目，进行网格无关性的检验，得出相对误差是0.3%，可以确保最终计算结果的精确性。湍流计算采用RNG k-ε模型，控制方程的离散选择有限体积法，二阶迎风格式。

RNG k-ε模型，最初是由Yakhot和Orzag提出来的，借助于大尺度的运动和修正后的粘度项，来表示出小尺度的影响，使相应小尺度运动有序地从控制方程中去除，得出的方程和方程，与标准模型十分相似：

（1）

（2）

Gk是由于层流速度梯度而产生的湍流动能，公式（1）介绍了其计算方法；Gb是由于浮力而产生的湍流动能，公式（2）介绍了其计算方法；YM是在可压缩湍流中，由于过渡的扩散而产生的波动；参数C1ε、C2ε、C3ε是常量，αk和αε是k方程和ε方程的湍流Prandtl数；Sk和Sε是用户定义的。

与标准模型对比分析，可以看到，RNG模型的显著变化是：

（1）修正湍流粘度后，考虑了平均流动中的旋转和旋流流动状况；

（2）在方程中增加了一项，这样便反映了主流的时均应变率Eff，由此以来，RNG模型中产生项不但和流动状况有关，而且在相同的问题中，也仍然是空间坐标的函数。从而，RNG模型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动[6]。

2.2.2 边界条件

在gambit软件中设置相应的边界条件，给水泵内部的流动介质设为水，将给水泵叶轮的进口条件设置为速度入口，蜗壳的出口条件设置为自由出口，其他边界条件均设置为固体壁面，叶轮的转速设置为1280rpm。

3 结果与分析

3.1 压力场的分析

图2为给水泵内部压力场的云图与等值线图。

给水泵的叶轮是高速旋转的部件，在给水泵的隔舌区域的压力较大，是因为该区域的叶片与蜗壳之间的距离较小，根据图2的压力场可以看出，在叶轮内，压力的变化趋势是先降低，最低负压值后，又缓慢上升。由于叶片进口角带来的影响，压力的最小值，处于叶片进口区域，该区域正是容易出现汽蚀的区域。在压力的作用下，液体的流动趋于剧烈，进而容易导致对叶片表面造成破坏。

3.2 速度场分析

速度场的模拟计算结果，其云图与等值线图，见图3所示。

给水泵扬程是动压头与静压头之和，既流体获得的能量，用来增加其动能及压力势能。因此在给水泵的设计工作中，往往以获得较高的静压头为原则。从图3的速度场分析结果中可以看到，叶轮直径与流体的流速呈正比例关系，流体进入蜗壳后，动能逐步转化为压力势能，速度随之逐步减小，叶轮出口处产生涡流，这是因为在出口处流体的速度较大，而水泵出口的内侧速度相对较低，由速度差引起的涡流现象[7，8]。

3.3 湍流强度分析

湍流强度的云图与等值线图，见图4所示。

湍流强度，表示流体脉动的剧烈程度，其数值的大小与空间具体分布，表示脉动扩散的程度与相应的发生范围。图4为给水泵内部的湍流强度分布图，可以看出，湍流强度比较小的区域主要集中在蜗壳附近和给水泵叶轮出口处，这证明蜗壳附近与叶轮出口处的湍流脉动不剧烈，流动相对较稳定，在靠近给水泵隔舌处的湍流强度比较大，流动比较剧烈，其水力损失十分严重。

4 结语

本文根据电站锅炉给水泵的实际运行工况及相应的结构尺寸，建立了物理模型和数学模型，利用大型商用CFD仿真处理软件FLUENT，对给水泵内部流场进行了数值仿真模拟，有效解决了试验条件制约，试验周期较长，无法及时深入分析的问题，并对给水泵的压力场、速度场及湍流强度分布状况进行了分析，得出下列结论：

（1）电站锅炉给水泵的叶轮损害，主要是由湍流强度过大及汽蚀导致的，给水泵的内部流场性能数值模拟，为研究叶轮的汽蚀损害，给予了相对来说既快速又高效准确的计算方法。

（2）通过分析锅炉给水泵叶轮内部的湍流强度分布情况，可以清晰地观察到叶轮内部容易发生汽蚀的部位，以及随着叶轮入口压力减小，汽蚀带来的破坏程度。因此，可以通过改变叶轮的外形尺寸以及叶片型线等方式，对锅炉给水泵的汽蚀特征做出优化，并在日常维护工作中，给予足够的重视。

参考文献

[1]王玉召，宁宪龙，等.电站锅炉给水泵节能改造[J]. 节能，2002（7）：24-26.

[2]朱容生，付强，等.低比转数离心泵叶轮内汽蚀两相流三维数值模拟[J].农业机械学报，2006（5）：75-79.

[3]李伟，施卫东，等.基于CFD的发动机冷却水泵汽蚀性能预测[J].排灌机械工程学报，2012，30（2）：176-180.

[4]何增光，杨桂利.电站锅炉给水泵提高效率的途径[J].内蒙古科技与经济，2010（1）：74-76.

[5]Yue G X，Yang H R，Lu J F，et al. Latest development of CFB boilers in China[C]//Proceedings of the 20th International Conference on Fluidized Bed Combustion， Springer， 2010.

[6]王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与使用[M].清华大学出版社，2004.

[7]张兄文，李国君，等.离心泵蜗壳内部非定常流动的数值模拟[J].农业机械学报，2006，37（6）：63-68.

[8]Dular M， Bachert R， Bernd S ， et al. Experimental evaluation of numerical simulation of cavitating flow around hydrofoil[J]. European Journal of Mechanics B： Fluids， 2005， 24（12）： 522-538.

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