Investigation on centrifugal pump performance degradation under air-water inlet two-phase flow conditions

Analyse de la dégradation des performances de pompes centrifuges en présence de mélange diphasique air-eau en entrée de roue

¹ National Research Center of Pumps, Jiangsu University, Zhenjiang, China, 212013
e-mail: siqiaorui@163.com
² National Research Center of Pumps, Jiangsu University, Zhenjiang, China, 212013
e-mail: 786485282@qq.com
³ National Research Center of Pumps, Jiangsu University, Zhenjiang, China, 212013
e-mail: zhangky189@163.com
⁴ National Research Center of Pumps, Jiangsu University, Zhenjiang, China, 212013
e-mail: yh@ujs.edu.cn
⁵ LML, UMR CNRS 8107, Arts et Métiers ParisTech, Lille, France, 59000
e-mail: gerard.bois@ensam.eu

Abstract

In order to study the flow characteristics of centrifugal pumps when transporting the gas-liquid mixture, water and air were chosen as the working medium. Both numerical simulation and experimental tests were conducted on a centrifugal pump under different conditions of inlet air volume fraction (IAVF). The calculation used URANS k-epsilon turbulence model combined with the Euler-Euler inhomogeneous two-phase model. The air distribution and velocity streamline inside the impeller were obtained to discuss the flow characteristics of the pump. The results show that air concentration is high at the inlet pressure side of the blade, where the vortex will exist, indicating that the gas concentration have a great relationship with the vortex aggregation in the impeller passages. In the experimental works, pump performances were measured at different IAVF and compared with numerical results. Contributions to the centrifugal pump performance degradations were analyzed under different air-water inlet flow condition such as IAVF, bubble size, inlet pressure. Results show that pump performance degradation is more pronounced for low flow rates compared to high flow rates. Finally, pressure pulsation and vibration experiments of the pump model under different IAVF were also conducted. Inlet and outlet transient pressure signals under four IAVF were investigated and pressure pulsation frequency of the monitors is near the blade passing frequency at different IAVF, and when IAVF increased, the lower frequency signal is more and more obvious. Vibration signals at five measuring points were also obtained under different IAVF for various flow rates.

Résumé

Un mélange diphasique air-eau alimente une pompe centrifuge pour en étudier les modifications de performance par rapport à de l'eau pure. Les analyses sont conduites à l'aide de simulations numériques et des expériences pour différentes valeurs de fraction volumique du mélange en entrée de la pompe. La simulation numérique utilise une approche instationnaire URANS avec le modèle de fermeture turbulente k-epsilon associé à une description Eulérienne pour chaque fluide, l'ensemble étant traité comme un milieu inhomogène. La distribution locale des caractéristiques du mélange ainsi que des lignes de courant à l'intérieur de la pompe et plus particulièrement de la roue sont utilisés pour permettre une analyse locale détaillée en particulier de l'évolution de la fraction volumique. La concentration d'air est importante à l'entrée de la roue et sur la face en pression des aubages dans les zones de forts gradients et les zones où se concentrent les zones tourbillonnaires à l'intérieur des passages inter-aubes. Les analyses prennent également en compte, outre différentes valeurs de la fraction volumique initiale, les variations du diamètre des bulles d'air et celles du débit global traversant la pompe. Les modifications des performances globales de la pompe, mesurées expérimentalement, sont plus importantes vers les bas débits. Elles sont confirmées, qualitativement et quantitativement par l'approche numérique retenue. Les mesures complémentaires de fluctuations de pressions en entrée et en sortie de pompe ainsi que des mesures de vibration sur le corps de pompe permettent une analyse en fréquence des signaux et leur mise en relation avec les résultats numériques sur les caractéristiques locales des écoulements.