利用FLOWMASTER模拟离心泵的选型

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前言

   泵的选型在工程实际非常常见，工程师在选泵的时候需要进行管道水力计算，可能通常都是已最不利管段为对象进行管路扬程计算，这完全可以满足要求，前提是最不利管路必须选对。本案例借助FLOWMASTER进行泵的选项设计，采用仿真方法，可以节省不少时间。

假设目标：如图1，需要将水箱01的水以1.96kg/s的流量率打到水箱02上面，管道的高程及水箱水位在图中标出（两个水箱的水位恒定）。管道的内径50mm，绝对表面粗糙度0.3mm，水的密度1000kg/m3。试选用离心泵。

图1 管路系统示意

理论基础简介

泵的工作点就是指泵特性曲线上的一个特征点，是泵特性曲线和装置特性曲线的交点，因此由两者共同决定。把单位质量的液体从吸入池输送到压出池所需的能量叫作装置扬程，用Hz表示，如下图。

图2 泵的工作点

装置扬程由吸入池和压出池几何高度差z（位能）、吸入池和压出池的压力差[（P2-P1）／ρg]（压能）及管路系统所有水力损失∑h（不包含泵本身）组成：

    管路系统水力损失∑h由沿程损失和局部损失组成：

由以上两式可知，装置特性曲线是一条关于装置扬程H和流量Q的一条抛物线。将泵特性曲线、装置特性曲线绘制在同一张图上（见图2），泵特性曲线和装置性能曲线的交点（M）就是泵的工作点。泵的选型就是选择合适的泵来满足系统的功用。

FLOWMASTER模拟选型

    建立如图3两个模型，其中模型1用来计算管路的水力损失，这部分工作可以查手册自己手算，这里全部工作由FLOWMASTER来完成；模型2用来模拟泵的运行。

   主要部件说明：水箱采用constant head，管道采用cylindrical rigid，各个标高以及压力等根据图1设定。这里要说明的是对于模型1中得水箱可以用压力源替代，由于水力损失由流速决定，只要给定已知的流量源边界条件即可算得。

    从模型1计算出四根管段的总压力损失0.0646bar，再根据已知条件可计算出装置的扬程

    由此，可知系统的工作点是Q=1.96kg/s，Hz=11.659m。

   现假设恰好有一个泵，其额定工作点刚好和系统的工作点重合。理论上讲，这时是最理想的情况，泵的效率最高。在模型1中加入这个理想的泵，则系统的水力情况应该与假设目标相同。

    假定一个离心泵，其参数为：额定转速1500r/min，额定流量QR=1.96kg/s，额定扬程HR=11.659m，额定效率ηR=0.68，则其额定功率为0.329kW。扬程与流量的关系如下表（纯属假定，无实际意义）

   建立模型，稳态不可压缩计算。

计算结果如下：

    管道系统的流量1.876kg/s，泵的实际功率0.319kw，实际效率0.67。可见，泵的工作点近似与系统工作点重合，泵近似在额定工况下工作。

   当然，这是理想的情形了。实际设计中，泵的选型要采取一定的富余度，并且考虑汽蚀，这里不做冗述。本例子仅仅用以模拟泵的选型。

图3 FLOWMASTER模型建立