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離心泵不同流量工況下的流場模拟對比分析

時間:2017-11-16 13:34:00   來源:本網   添加人:admin

  農業工程信息技術黑龍江農業科學2011(3)離心泵不同流量工況下的流場模拟對比分析李國威,孫琦,郭仁甯,李春芳(遼甯工程技術大學機械工程學院,遼甯阜新123000)拟方法對其進行研究,從而指導實際應用,為泵的改良設計提供可靠依據。現利用商用CFD軟件Fluent對IS14(M25400型蝸殼式離心泵進行整機的流場模拟,在動系坐标下,用有限體積法對雷諾時均NS方程進行離散,選用标準的Are湍流模型和SIMPLEC算法進行求解,分别得出離心泵在不同流量工況下的速度和壓力分布圖,真實地反應出泵内部的流動情況,并對其進行分析和比較,得出泵在靠近額定工況下運行時,流動最穩定。

  泵是一種應用非常廣泛的通用機械,可以說,在國民經濟各部門中,凡是有液體流動之處,幾乎都有泵在工作。而且,随着科學技術的發展,泵的應用領域正在迅速擴大。其主要應用範圍有:農田排灌、城市給排水、動力工業、石油化工、采礦和船舶工業等。另外,泵在火箭燃料供給、船舶推進第一:李國威(1978-)男,遼甯省蓋州市人,在讀博士,講師,從事流體機械及工程專業的教學與科研工作。E-方面也得到應用。據不同國家統計,泵的耗電量都約占全國總發電量的1/5可見泵是當前的耗能大戶。因而,提高泵技術水平對節約能耗具有重要意義。

  傳統對泵的研究和設計是以實驗為基礎的,并借助經驗判斷來确定研究方案,這是一種需要不斷設計和實驗的反複性工作。因此需要較長的周期和較高的費用,對經驗判斷的依賴也較強。近十幾年來,随着計算機技術的飛速發展,數值模拟開始更為廣泛地應用于泵的設計和流場分析中。Fluent是一個用于模拟和分析在複雜幾何區域内的流體流動與熱交換問題的專用CFD軟件131.隻要涉及流體、熱傳遞及化學反應等工程問題時,都可以用Fluent進行解算。它具有豐富的物理模型、先進的數值方法以及強大的前後處理功能,在航空航天、汽車設計、石油天然氣、禍輪機設計等方面都有着廣泛的應用14-51.因此利用Fluent對離心泵進行輔助設計成為一種可靠的方法。CFD技術現在已經成為對泵研發非常重要的工具之一,是改善水力性能等泵核心競争力的重要手段6. 1研宄對象及建模離心泵是把原動機的機械能轉換成液體能量的渦輪機械,它由旋轉的葉輪和靜止的蝸殼兩部分組成。蝸殼内的葉輪由原動機帶動做高速旋轉,流體在高速旋轉的葉輪内,借葉片的作用獲得能量,同時被甩出葉輪,葉輪内形成真空。同時,外界的流體沿葉輪中心流入葉輪。如此周而複始不斷地循環工作,對液體做功,增加流體的位能、壓能和動能(高速液流)從而使需要數量的液體由吸水池經泵的過流部件輸送到要求的高處或要求壓力的地方171.研究對象,其基本參數:葉輪葉片數為6葉輪進、出口直徑分别為140mm和400mm,葉輪出口寬度20mm,葉片出口角是25°轉速是1450r-min1,額定流量為0.09m3V、泵入口壓力為101325Pa輸送液體為标準狀态下的水,它的密度為998. m3,流體粘度為的幾何模型進行構建,并對其過流部件通道部分進行網格劃分。由于模型的複雜性,該文在離散過程中主要采用了适應性比較好的非結構化網格。并對葉片和隔舌處的網格進行加密處理,以保證計算的精度。

  2模拟計算方法涉及的流動為不可壓縮穩态湍流,選擇非耦合隐式求解器。考慮計算資源情況,控制方程以及各種湍流模型和計算方法,在計算中用有限體積法對雷諾時均N-S方程進行離散,采用标準k-e湍流模型,并選擇了分離式SIMPLE算法。

  2.1控制方程流體動力學控制方程是一組由連續性方程、運動方程和能量方程組成的微分方程組。這些方程反映了單位時間和單位體積内物理量的守恒性質。其通用形式可表示為:項。對于特定意義的yr、s具有特定的形式。方程各項依次為非定常項、對流項、擴散項和源項。根據愛因斯坦求和約定,i角标在一項中重時稱求和标,表示三項求和,i可取值1,23.由于湍流的不規則性、混摻性和耗散性等特性,在處理湍流問題時必須用統計方法,工程上較多采用的是時間平均值法(簡稱時均值法)來描述和求解湍流問題。利用連續方程和雷諾時均法則可得到湍流運動時均方程,即湍流雷諾時均N-S方程181 2.2邊界條件根據離心泵進口流道特點,假定進口速度在軸向分布均勻,流動是軸對稱的,無旋的,采用速度進口邊界條件,具體數值由流量與進口面積比值給定。計算前,蝸殼出口流體的速度和壓力未知,因此在出口邊界條件中采用自由出流邊界條件。在粘性流體計算中,Fluent采用無滑移邊界條件。在壁面有平動或轉動時,可以定義一個切向速度分量作為邊界條件,也可以定義剪切應力作為邊界條件。對于葉輪流體而言,葉片是圍繞中心軸線轉動的,因此,将葉片面設置為移動壁面,但相對于臨近流體區域的移動速度還是零。

  對于蝸殼内腔,由于在整個流動過程是處于靜止狀态,因此設置為靜止壁面。

  3模拟結果及對比分析示額定流量)種流量工況下的流場分布,得出了壓力和速度分布圖(見),并對其進行比較和壓力分布。1壓力場分布從中可以看出,流體壓力由泵吸入口到排出口是逐漸上升的,其中最小壓力出現在葉輪進口附近,最大壓力出現在蝸殼出口附近。在葉輪出口處以及蝸殼出口處壓力都基本相同。而在兩葉片所包含的流道區域内出現了壓力梯度,葉輪進口處壓力梯度不大,出口處卻很明顯,即壓力梯度由葉輪進口到出口是逐漸增大的。再觀察葉輪相同半徑處的壓力情況,其葉片工作面的壓力比葉片背面的壓力大。由于在葉片背面離進口不遠處的壓力是最小的,所以此處是最容易産生汽蝕的地方。由幾種不同流量工況的對比可以看出,随着流量的增加,離心泵整體流場的壓力也在增加。從總體上看,壓力分布的趨勢是基本相同的。但流量越小,其葉輪進口處的負壓範圍越大,所以流量越小越容易産生汽蝕現象。随着流量的增加,泵的最大壓力并沒有出現在蝸殼出口處,而是沿蝸殼一周出現高壓區,這樣會由于出口壓力的降低,而造成嚴重的能量損失。無論是在大流量工況下,還是在小流量工況下,都不利于泵的工作,因此應盡量保證泵在額定工況下運行。

  3.2速度場分布速度分布圖從中可以看出,從葉輪進口到出口向)速度呈增大趨勢,葉片工作面的速度比背面的速度小,在葉輪出口附近速度基本保持一緻,這說明在葉片之間的相對流動會産生軸向旋渦。在葉片工作面附面層中速度基本變化不大,隻是在葉片出口處速度有些加大,葉片背面附面層中的速度變化比較明顯。從圖中還可以看到,葉輪進口到出口的速度逐漸增大,進口的速度梯度相對較小,出口的速度梯度相對較大,且葉片出口處速度達到最大值。蝸殼中的流速變化不大,在渦殼的出口處,速度逐漸降低。

  由幾種不同流量工況的對比可以看出,随着流量的增加,離心泵出口流速也在增加。在小流量工況條件下,由于流量小,葉輪轉速高,使流體的流動變得不穩定,速度梯度的變化也較快,當到達出口時速度變得很小,如果速度再繼續減小,則很容易産生回流,造成很大的能量損失。在大流量工況條件下,随着流量的增大,在擴散管位置的局部地區,由于受到局部沖擊,流體速度變得很大,而且流動也不規則,從而會出現回流和渦流現象。所以還是在額定流量工況下流體的流動最為穩定。

  4結論125-400型蝸殼式離心泵進行整機的流場模拟,在動系坐标下,用有限體積法對雷諾時均N-S方程進行離散,選用标準的k-e湍流模型和SIMPLEC算法進行求角解分别得出離心泵在不同流量工況下的速度和壓力分布圖,真實地反映出泵内部的流動情況,并對其進行分析和比較。

  從數值分析的結果上看,模拟計算所得出的結果均符合離心泵工作特性的一般規律,這表明采用Fluent對離心泵整機流場進行數值模拟研究是正确可行的。

  流體進入葉輪後,通過葉片流道流出葉輪。

  流體在葉輪内的流動過程中,旋轉的葉片将能量傳遞給流體與此同時流體的壓力能與動能都相應增加。從壓力和速度的分布圖來看,總的分布趨勢與理論研究是一緻的。從圖中可以看出,蝸殼隔舌部分流體為能量損失較大部分,另外在葉輪出口附近,蝸殼流體壓力和速度都出現較大變化,這也是造成離心泵内流場不穩定的因素之一。

  通過對幾種不同流量工況下離心泵内部流場的對比模拟可以看出,随着流量的增加或減少,離心泵内部流場的壓力和速度都有不同程度的改變。此外,在小流量和大流量工況下的離心泵,葉輪内部各流道流場呈現出很明顯的差異,局部地區都出現壓力、速度梯度較大的現象。相比之下,額定工況下的流場分布比較均勻,葉輪和蝸殼的作用效果比較好,且流體流動也較穩定。

  在額定工況下流體的流動最為穩定,随着流量的增大或減小,流體的流動往往會出現各種不利情況,會造成能量的損失,不利于泵的工作,所以應盡量采取各種措施保證泵在靠近額定工況下運行。

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