雙級軸流泵三維流場數(shù)值模擬

雙級軸流泵三維流場數(shù)值模擬

1雙級軸流泵模型雙級軸流泵可用作吸水器。它的特點(diǎn)是電壓縮式濾波器，具有低揚(yáng)程和高流量。一般來說，在需要穩(wěn)定工作的情況下，功率大，對速度要求低的情況沒有高。其結(jié)構(gòu)由前導(dǎo)流帽,首級轉(zhuǎn)輪和次級轉(zhuǎn)輪,以及后導(dǎo)流帽組成。水流從軸向進(jìn)入,依次經(jīng)過首級轉(zhuǎn)輪和次級轉(zhuǎn)輪,流過導(dǎo)葉,從后導(dǎo)流帽處沿軸向出流。所計(jì)算的雙級軸流泵模型各部件的葉片數(shù)分別為:首級葉輪4個,次級葉輪8個,固定導(dǎo)葉9個。這樣的葉片數(shù)匹配導(dǎo)致其內(nèi)部流動狀態(tài)極為復(fù)雜,單流道內(nèi)部流動模擬難以反應(yīng)其實(shí)際流動狀態(tài)。在此,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型和SIMPLEC算法模擬計(jì)算雙級軸流泵內(nèi)部從進(jìn)口到后導(dǎo)流帽出口的360°全流場,給出其速度和壓力分布情況。并且,在模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上,對裝置的性能進(jìn)行了預(yù)估,給出其流量～效率曲線和流量～揚(yáng)程曲線。2計(jì)算模型和邊界條件2.1頓流體的動力學(xué)方程假設(shè)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速定常,由Boussrnesq渦粘性假設(shè)可以得出絕對坐標(biāo)系下不可壓牛頓流體的連續(xù)性方程和動量方程。連續(xù)性方程:動量方程:其中,ρ為流體密度;xj(j=1,2,3)分別代表x,y和z坐標(biāo);ui和uj分別代表絕對速度分量u,v和w;p*為靜壓;μe為有效粘性系數(shù),它等于分子粘性系數(shù)μ和紊動粘性系數(shù)μT之和。2.2特定相關(guān)系數(shù)的取值為了確定有效粘性系數(shù)μe,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型來封閉方程組,分別定義紊動粘性系數(shù)μT,紊流脈動動能k和紊流脈動動能耗散率ε的表達(dá)式。紊流模型方程中的其它相關(guān)系數(shù)取值分別為:cμ=0.09,c1=1.44,c2=1.92,σk=1.0,σε=1.3。在差分格式中,壓力項(xiàng)采用二階中心差分格式,速度項(xiàng)、紊動能項(xiàng)和紊粘系數(shù)項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)差分格式。求解過程中各迭代松弛系數(shù)分別為:壓力項(xiàng)0.3,速度項(xiàng)0.7,紊動能項(xiàng)和紊粘系數(shù)項(xiàng)0.8。2.3均勻入流條件噴水推進(jìn)器為水平放置,在葉輪和葉輪室之間設(shè)置縫隙網(wǎng)格,葉輪轉(zhuǎn)動,而葉輪室外緣不動。進(jìn)口采用均勻入流條件,在前導(dǎo)流帽前10cm處,為均勻入流面,沿軸向入流,給定軸向速度。出口采用第二類邊界條件,速度分量、紊動能kout和耗散率εout的梯度設(shè)為零。在臨近固壁的區(qū)域采用壁面函數(shù),固壁面采用無滑移邊界條件。2.4效率預(yù)測模型在模擬計(jì)算三維紊動流場的基礎(chǔ)上,通過計(jì)算葉輪進(jìn)出面的環(huán)量差和進(jìn)出口面的能量差可以得出其軸功和實(shí)際水頭,進(jìn)而求出裝置的水力效率。3葉輪和固定導(dǎo)葉葉片數(shù)的變化雙級軸流泵由前導(dǎo)流帽,首級葉輪,次級葉輪,導(dǎo)葉和后導(dǎo)流帽組成,其中首級葉輪、次級葉輪和固定導(dǎo)葉葉片數(shù)分別為:4個、8個和9個。轉(zhuǎn)輪直徑3250mm,轉(zhuǎn)速1270r/min,流量為310～4301/s。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,劃分計(jì)算域的三維立體網(wǎng)格如圖1所示;根據(jù)其工作條件,從最小流量到最大流量分為9個計(jì)算工況,具體見表1。4cfd的計(jì)算結(jié)果和分析4.1局部高壓區(qū)進(jìn)口為軸向入流,前導(dǎo)流帽處水流基本無圓周速度,軸面速度分布均勻,頂端部分由于速度駐點(diǎn)的存在,有一個局部高壓區(qū)。作為出水部件,后導(dǎo)流帽的主要作用是降低水流的軸面速度,使部分動能轉(zhuǎn)化為壓能,以提高效率。最優(yōu)流量工況下前導(dǎo)流帽軸面速度分布及最小流量工況下后導(dǎo)流帽軸面壓力分布分別如圖2、3所示。4.2葉內(nèi)速度分布導(dǎo)葉為固定導(dǎo)葉,安裝于次級葉輪之后,水流流過導(dǎo)葉時周向速度分量降低,能回收部分動能。導(dǎo)葉處最小流量工況下柱面速度分布如圖4所示。從速度分布來看,導(dǎo)葉降低水流周向速度分量的作用十分明顯。4.3級壓泵站內(nèi)動工況動工況分析葉輪是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的主要場所,由于兩級轉(zhuǎn)輪間的流動相互影響,流動情況相當(dāng)復(fù)雜。首級葉輪最大流量工況下的壓力面壓力分布及最優(yōu)流量工況下表面附近的相對速度分布分別如圖5、6所示?？梢钥闯?在最大流量工況下,由于頭部脫流的影響,壓力面的頭部出現(xiàn)局部低壓。5性能分析通過計(jì)算雙級軸流泵不同流量工況的揚(yáng)程和水力效率,得出雙級軸流泵的流量～揚(yáng)程曲線和流量～水力效率曲線分別如圖7、8所示。6按工況計(jì)算流場通過對雙級軸流泵內(nèi)部流場的計(jì)算模擬,并對結(jié)果進(jìn)行分析后得出:流量為0.37m3/S時,雙級軸流泵的水力效率最高,為93.2%,當(dāng)流量為0.313/s時,揚(yáng)程最大,為8.853m。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,m可以看出:用全流道三維紊流方法計(jì)算噴水推進(jìn)器的內(nèi)流場,能較好的模擬實(shí)際流態(tài),計(jì)算各部件之間相互作用,預(yù)估性能。雙級軸流泵內(nèi)部的流動狀況非常復(fù)雜,要考察裝置內(nèi)部的壓力脈動情況以及兩級葉輪之間流動相干的情況,還需進(jìn)一步作非定常模擬計(jì)算和分析。另外,還可考慮兩級轉(zhuǎn)輪不同軸的情況,對兩級轉(zhuǎn)輪的載荷分布和結(jié)構(gòu)匹配作一些分析。若