多級(jí)離心泵級(jí)配電網(wǎng)的流固耦合分析

多級(jí)離心泵級(jí)配電網(wǎng)的流固耦合分析

0口環(huán)間隙的影響多段式離心的各種間隙水域和葉片在輸送介質(zhì)壓力下變形，導(dǎo)致泵性能參數(shù)變化。流固耦合力學(xué)的重要特征是固體和流體兩種介質(zhì)之間的交互作用(fluid-solidinteraction):在流體載荷作用下,變形固體會(huì)產(chǎn)生變形或運(yùn)動(dòng);同時(shí),這種變形以及運(yùn)動(dòng)又會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)發(fā)生變化,進(jìn)而改變流場(chǎng)內(nèi)流體載荷的大小及分布等。目前存在的商業(yè)軟件中,流固耦合分析有3不同的方法:直接耦合、順序耦合和同步求解?？诃h(huán)間隙對(duì)泵性能影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:①隨著口環(huán)間隙的增大,離心泵內(nèi)部泄漏量也逐漸變大,容積損失功率增加,容積效率降低;②口環(huán)間隙增大可能導(dǎo)致在泵腔內(nèi)葉輪前后蓋板處旋轉(zhuǎn)流態(tài)的變化,導(dǎo)致葉輪蓋板表面液體摩擦損失功率增大,也就是葉輪圓盤(pán)摩擦損失增大。為此,采用CFD及流固耦合技術(shù)對(duì)其效率等性能參數(shù)及葉輪應(yīng)變進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。1計(jì)算模型和網(wǎng)格的劃分1.1泵流固耦合求解泵的主要技術(shù)指標(biāo):流量Q=280m3/h,揚(yáng)程H=1520m,轉(zhuǎn)速2980r/min。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)設(shè)計(jì)成為8級(jí)泵,且單級(jí)揚(yáng)程最低不低于195m。泵流固耦合求解涉及到流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)兩方面。本文建立的計(jì)算中,流場(chǎng)為首級(jí)泵內(nèi)部全三維流場(chǎng),包括葉輪流道的流體區(qū)域和導(dǎo)葉流道的流體區(qū)域;結(jié)構(gòu)場(chǎng)主要是葉輪轉(zhuǎn)子,包括首級(jí)葉輪和與葉輪相連接的泵軸?？紤]耦合分析時(shí),只考慮軸、葉輪,其他結(jié)構(gòu)在本分析中將視為無(wú)影響因素而忽略。1.2材料屬性的確定泵葉輪結(jié)構(gòu)的材料為ZG1Cr13Ni,軸的材料為2Cr13,均執(zhí)行ASMEA217標(biāo)準(zhǔn)。為使模擬變形效果比較明顯,在選取材料屬性時(shí)使用了材料屬性稍柔性的結(jié)構(gòu)鋼來(lái)替代泵葉輪及軸的材料進(jìn)行分析,以觀察到更為明顯的變形情況。具體材料特性參數(shù),如表1所示。2流固耦合單元葉輪選擇周期為0.020134228s,取每轉(zhuǎn)18°為1步,1個(gè)周期內(nèi)共有20個(gè)時(shí)間步。為了能夠模擬比較穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)工況,一般取葉輪旋轉(zhuǎn)5～7周即可。本文選中取葉輪旋轉(zhuǎn)了7周,共140步,總旋轉(zhuǎn)時(shí)間為0.140938056s,每一步時(shí)間為0.0010067114s。選取葉輪葉片為流固耦合交界面。耦合單元的網(wǎng)格類型設(shè)置為動(dòng)網(wǎng)格。本文在此部分的不匹配比例均在0.0008%以下,不匹配節(jié)點(diǎn)No.ofUn-MappedNodes數(shù)量都達(dá)到了0,說(shuō)明該流固耦合計(jì)算達(dá)到了協(xié)調(diào)統(tǒng)一。選擇葉輪旋轉(zhuǎn)的第7周進(jìn)行分析:瞬時(shí)流場(chǎng)求解采用SecondOrderBackwardEuler格式,每個(gè)計(jì)算時(shí)間點(diǎn)上流場(chǎng)計(jì)算殘差收斂目標(biāo)為10-5,耦合計(jì)算數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程的松弛因子默認(rèn)為0.75,收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-3。3結(jié)果與分析3.1口環(huán)間隙水體壓力及流場(chǎng)分析圖1分別為考慮口環(huán)間隙水體以及葉輪葉片變形、僅考慮口環(huán)間隙水體和不考慮口環(huán)間隙水體及葉輪葉片形變3種情況下葉輪及導(dǎo)葉水體內(nèi)在t=0.1S時(shí)瞬態(tài)內(nèi)部流場(chǎng)壓力分布。對(duì)比圖1(a)和(b),流場(chǎng)壓力分布有細(xì)微變化,流場(chǎng)不同處主要出現(xiàn)在導(dǎo)葉內(nèi)水體壓力分布及葉輪水體比較靠外部邊緣水體壓力分布;而在葉輪水體靠近中心位置處,壓力分布兩種情況比較接近,說(shuō)明葉輪葉片形變對(duì)流場(chǎng)域影響主要集中在葉輪葉片的邊緣葉片位置。從圖1(c)中看出,流場(chǎng)與考慮口環(huán)間隙水體的兩種情況區(qū)別比較明顯,這與選取的口環(huán)間隙尺寸有很大關(guān)系。本文選取了比較大尺寸的口環(huán)間隙,包括葉輪前口環(huán)間隙和后口環(huán)間隙兩部分水體,說(shuō)明口環(huán)間隙水體及葉輪與導(dǎo)葉間隙、葉輪與前蓋板間隙間水體對(duì)泵性能的影響是比較客觀的,圓盤(pán)阻力損失在大口環(huán)間隙的情況下影響顯著。因此,在實(shí)際加工中,應(yīng)盡量避免大尺寸口環(huán)間隙的情況。葉輪及導(dǎo)葉水體內(nèi)在t=0.1s時(shí)瞬態(tài)內(nèi)部流場(chǎng)速度分布如圖2所示。從圖2來(lái)看,圖2(a)和(b)相對(duì)不考慮間隙及葉片變形的(c)而言,在葉輪與導(dǎo)葉相接觸位置,速度均略降低。由壓力分布圖和速度分布圖可知,口環(huán)間隙水體以及葉輪與導(dǎo)葉間隙水體、葉輪與前蓋板間隙水體影響了泵進(jìn)出口壓力及速度大小。下面將從分析的數(shù)據(jù)曲線來(lái)詳細(xì)分析影響大小。3.2口環(huán)間隙對(duì)泵功率的影響針對(duì)考慮耦合及間隙水體、僅考慮間隙水體和不考慮耦合和間隙水體3種情況,現(xiàn)在分布稱為方案1、方案2和方案3。額定工況3種方案瞬態(tài)揚(yáng)程性能對(duì)比如圖3所示。由圖3可以看出,相比方案3,方案1和方案2揚(yáng)程均有大約5～6m降低,而方案1相對(duì)方案2揚(yáng)程也有微小降低;但是從宏觀上講基本不大,也就是說(shuō)葉片形變對(duì)揚(yáng)程的影響很小,可以忽略。而間隙水體對(duì)揚(yáng)程影響比較宏觀,在實(shí)際中可以通過(guò)減小口環(huán)間隙的辦法來(lái)對(duì)泵的揚(yáng)程進(jìn)行微調(diào)提高。額定工況3種方案瞬態(tài)功率對(duì)比如圖4所示。通過(guò)圖4可以發(fā)現(xiàn),在考慮間隙水體情況下,泵的額定功率相對(duì)升高,說(shuō)明泄露以及圓盤(pán)摩擦阻力對(duì)泵功率有較明顯影響,降低口環(huán)間隙,能夠減少這部分的功率損失。圖5給出了3種方案下得瞬態(tài)效率對(duì)比,不考慮間隙水體及耦合葉片變形作用下,泵的效率可以達(dá)到78%左右;但是在考慮間隙水體時(shí),泵效率立刻降低到了73.6%作用。而葉片形變對(duì)效率影響相比方案2只有0.4%左右的降低,說(shuō)明圓盤(pán)摩擦阻力及泄露對(duì)泵效率有很大影響。從以上對(duì)比分析說(shuō)明,實(shí)際中應(yīng)盡量避免大口環(huán)間隙的情況,當(dāng)然并不是說(shuō)口環(huán)間隙越小越好?？诃h(huán)間隙小,不僅要求更高的加工工藝,也可能造成葉輪與口環(huán)之間磨損加大等情況。4口環(huán)以及前板式間隙對(duì)泵口壓的影響采用ANSYSWorkbench平臺(tái)的流固耦合技術(shù),添加口環(huán)間隙水體影響因素、葉片結(jié)構(gòu)變形因素,對(duì)泵首級(jí)單級(jí)進(jìn)行分析,分析在這兩種因素影響小泵性能。結(jié)果表明,口環(huán)以及葉輪與導(dǎo)