基于cfd的離心泵固液兩相湍流動力學(xué)仿真分析

基于cfd的離心泵固液兩相湍流動力學(xué)仿真分析

作為一種重要的固液體兩相流處理廠，它被用作固液體材料的水-土壤傳輸?shù)闹匾O(shè)備。近年來，隨著計算機和cfd（復(fù)合函數(shù)）技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值計算是研究液體機械外部特性和內(nèi)部水流運動規(guī)律的重要手段。簡單算法（semi-iiiist）是解決流場的一般方法，簡單c（簡單anova方法）是基于簡單算法的改進(jìn)算法。在分析葉片動力和兩相流的性能時，文獻(xiàn)討論了泵的節(jié)能運行技術(shù)，而文獻(xiàn)只分析了葉片矩陣中的流動。筆者利用CFD技術(shù)對離心泵全流場(包括吸水管、葉輪和壓水室)內(nèi)的固液兩相進(jìn)行三維湍流數(shù)值模擬，以期優(yōu)化離心泵的設(shè)計，提高其性能，從而達(dá)到降低能耗，延長離心泵使用壽命的目的．1計算固液兩相流體數(shù)筆者模擬的單級單吸離心泵參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速n=1450r/min，額定流量Q=180m3/h，額定揚程H=45m(清水)，泵進(jìn)口直徑130mm，出口直徑100mm，葉片4片，葉片包角120°．模擬的固液兩相流體主要參數(shù)：固相(石英砂粒)密度ρs=2700kg/m3，固相粒徑ds=0.2mm，固相體積分?jǐn)?shù)Cv=20%；液相(清水)密度ρ=998kg/m3；兩相流體密度ρm=1338kg/m3.2流體動力學(xué)模型對于離心泵內(nèi)的固液兩相流動，采用兩流體模型，即連續(xù)相(液相)運動用歐拉型方程描述，假定分散相(顆粒)為擬流體，其運動也采用歐拉型方程描述．2.1速度分量w離心泵內(nèi)液相連續(xù)性方程：液相動量方程：式(1)和(2)中：ρ為液相密度（kg/m3）;ui、uj(i≠j)為速度分量(m/s)；p為壓力(Pa)；μe為等效黏性系數(shù)；fi為包含哥氏力和離心力的附加力；i、j為3個坐標(biāo)方向，i,j=1,2,3.固相連續(xù)性方程和動量方程參見文獻(xiàn)．2.2計算模型及材料兩相流離心泵內(nèi)的液相采用RNG(renormalizationgroup)k-ε湍流模型．RNGk-ε湍流模型液相湍動能k方程:式中：k為湍動能(m2/s2)；αk為模型系數(shù)，αk=1.39;Gk為由平均速度梯度引起的湍動能k產(chǎn)生項；Gp為由兩相流引起的湍動能k附加生成項；ε為湍動耗散率(m2/s3)．RNGk-ε湍流模型液相耗散率ε方程：式中：αε為模型系數(shù)，αε=1.39;C*1ε為Gk項模型系數(shù)；C2ε為ε項模型系數(shù)，C2ε=1.68.(2)、(3)、(4)式中的μe、Gk、Gp、C*1ε的計算參見文獻(xiàn)．3數(shù)值模擬及其結(jié)果分析3.1旋轉(zhuǎn)零件仿真模型離心式固液兩相流泵由葉輪、壓水室、前護(hù)板和后護(hù)板構(gòu)成，其中葉輪是旋轉(zhuǎn)零件，其他零件為相對靜止零件．根據(jù)泵的結(jié)構(gòu)特點，將泵的全流場劃分為葉輪流場區(qū)域和壓水室流場區(qū)域，使用三維CAD軟件來構(gòu)造流場區(qū)域的三維實體模型，使用網(wǎng)格生成軟件GAMBIT來生成泵的計算網(wǎng)格．3.2離心內(nèi)速度場和壓力場計算時泵進(jìn)口邊界采用速度進(jìn)口條件，出口邊界采用流動充分發(fā)展條件．在泵過流部件臨近壁面處雷諾數(shù)低，流動為非充分發(fā)展的湍流，因此使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法模擬壁面附近的流動．筆者使用SIMPLEC算法計算離心泵內(nèi)速度場和壓力場．3.3數(shù)值模擬結(jié)果分析3.3.1流道生長和壓力分布封三圖1所示為離心泵葉輪軸向坐標(biāo)z=0截面上的壓強分布．從封三圖1可見，葉輪4個流道內(nèi)壓強的分布并不完全一致，具有較明顯的非對稱性，靠近泵出口的流道出口壓強相對其他3個流道出口處的壓強小約12%．封三圖2所示為葉片正面(壓力面)的壓強分布．從封三圖1和圖2可以看出，從流道進(jìn)口到出口，壓強逐漸升高，并且在流道的后半程增加較快．在進(jìn)口處葉片背面附近形成負(fù)壓區(qū)，壓強最低區(qū)域位于葉片進(jìn)口處葉片背面與前蓋板的交界處．3.3.2固液兩相速度分布的非對稱流道速度分布封三圖3為葉片正面固液兩相速度分布圖．封三圖4為葉輪后蓋板固液兩相速度分布圖．封三圖5為壓水室壁面固液兩相速度分布圖．由封三圖3～圖5可以看出，固液兩相在同一壁面上的速度分布規(guī)律基本相同，但固液兩相的速度大小不同．從葉片進(jìn)口到出口的流道中，固液兩相的速度都是逐步增加的．封三圖4進(jìn)一步表明，無論是固相還是液相，它們在靠近葉片背面(吸力面)的流道區(qū)域的速度值明顯大于靠近葉片正面的流道區(qū)域的速度值，也顯示了葉輪4個流道內(nèi)速度分布的非對稱性，靠近泵出口流道的速度相對其他3個流道要大些．離心泵部分壁面上固液兩相的平均速度值見表1．從表1可見，葉片正面和背面、前蓋板和后蓋板上的固液兩相速度差較大(10%以上)，而吸入管和壓水室壁面各自的固液兩相速度相差不大．3.4設(shè)計參數(shù)及測試方法按公式(5)和(6)分別計算出離心泵的揚程和效率，從而可以對離心泵的性能進(jìn)行預(yù)測．兩相流離心泵入口位置a到泵出口位置b的漿體揚程Hm為：式中：Aa、Ab分別為泵進(jìn)口、出口面積(m2)；pa、pb分別為泵進(jìn)口、出口壓力(Pa)；va、vb分別為泵進(jìn)口、出口流速(m/s)；ρm為漿體密度(kg/m3)；g為重力加速度(m/s2)．兩相流離心泵水力效率計算公式為：式中：ηh為水力效率；Q為額定流量(m3/h)；M為葉輪轉(zhuǎn)矩(N·m)；ω為葉輪角速度(rad/s)．為了檢驗泵性能計算值與實測值的吻合程度，在離心泵試驗臺上進(jìn)行了性能測試試驗．試驗中兩相流體的固相顆粒選用粒徑ds=0.2mm的石英砂粒，固相體積分?jǐn)?shù)Cv=20%；液相為清水．泵轉(zhuǎn)速n=1450r/min，額定流量Q=180m3/h.泵漿體揚程的計算值和實測值分別為42.35、39.67m；效率的計算值和測量值分別為65.6%和63.3%．揚程和效率的計算值與實測值接近，誤差小于4%，說明通過流場數(shù)值計算來預(yù)測泵性能的方法是可行的．4流道壓面為受壓口的截面規(guī)劃采用RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC算法對離心泵全流場內(nèi)的固液兩相流動進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，從葉輪流道進(jìn)口到出口，流道沿程壓強逐漸升高，并且在流道的后半程增加較快．葉輪軸向截面壓強分布非對稱性明顯，靠近泵出口的流道出口壓強相對其他3個流道出口處的壓強小約12%．壓強最低區(qū)域位于葉片進(jìn)口處葉片背面與前蓋板的交界處．固液兩相在同