基于cfd的全流場模型下離心泵性能分析

基于cfd的全流場模型下離心泵性能分析

泵在泵體內(nèi)間隙泄漏的模擬仿真近年來，廣泛應(yīng)用于對泵的分析和設(shè)計計算流量（cpd）技術(shù)的應(yīng)用。CFD技術(shù)在泵上的有效應(yīng)用主要歸功于具有強大數(shù)據(jù)處理能力的高速計算機技術(shù),該技術(shù)的主要優(yōu)勢在于能夠在不使用經(jīng)驗系數(shù)的情況下比較好地預(yù)測泵性能曲線。對CFD技術(shù)而言,研究其在泵上的適用性和模擬精度是很重要的,目前的研究結(jié)果表明泵高效區(qū)(0.7~1.2倍設(shè)計流量)內(nèi)的揚程預(yù)測值與試驗值基本吻合[2~3];然而由于對泵的各類損失缺乏足夠的認識,在數(shù)值計算過程中,對一些損失(包括泄漏損失、圓盤摩擦損失和機械損失)仍需要采用經(jīng)驗系數(shù)進行修正,這往往導(dǎo)致預(yù)測的效率值與試驗值之間存在較大的偏差。多種原因會造成損失的預(yù)測偏差,其中對原型泵的簡化被認為是數(shù)值模擬結(jié)果存在較大偏差的主要原因:對有蓋板的離心泵而言,需要關(guān)注葉輪前后蓋板與泵體之間的流動;對于沒有蓋板的斜流泵和軸流泵而言,輪緣間隙的泄漏及其引起的二次流都是需要深入研究的。隨著計算方法和計算機處理能力的提高,研究者對間隙泄漏開始重視起來:軸流泵和斜流泵由于其流道相對簡單,考慮輪緣間隙泄漏的全流場模擬已經(jīng)出現(xiàn);離心泵葉輪的前后腔結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,特別是前后口環(huán)和平衡孔的尺寸較小,該區(qū)域的網(wǎng)格處理非常困難,因此對離心泵進行全流場數(shù)值模擬的文獻較少[8~9]。本文以單級單吸離心泵為研究對象,采用ICEM軟件,嚴格按照離心泵過流部件的尺寸對其水力模型進行整體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。在對網(wǎng)格進行無關(guān)性分析的基礎(chǔ)上,研究離心泵包括葉輪前后腔流動的全流場,并將泵的外特性計算值與試驗結(jié)果進行比較,驗證模擬結(jié)果的可信度。1泵的結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)計算對象是一臺比轉(zhuǎn)數(shù)88.6的離心泵,主要包括吸水室、葉輪、前后腔及蝸殼。本文采用的泵葉輪為無平衡孔的葉輪,該泵的結(jié)構(gòu)圖和三維水體圖如圖1所示,其主要幾何尺寸及設(shè)計工況參數(shù)如下:吸水室進口直徑Ds=65mm,葉輪進口直徑Dj=75mm,葉輪出口直徑D2=174mm,蝸殼基圓直徑D3=184mm,蝸殼出口直徑Dd=50mm。模型泵的設(shè)計流量Qd=50m3/h,設(shè)計揚程Hd=34m,轉(zhuǎn)速n=2900r/min。2計算網(wǎng)格的性能2.1腔體網(wǎng)格的生成采用分區(qū)域網(wǎng)格生成方法,區(qū)域間采用交界面技術(shù)進行連接。為減少交界面間數(shù)據(jù)插值的誤差,進行了兩方面的處理:網(wǎng)格生成時需要保證區(qū)域兩側(cè)的網(wǎng)格分布過渡一致,盡可能保證交界面兩側(cè)的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)相同或相近;盡量減少交界面的數(shù)目?；谏鲜鏊枷?對模型泵進行了計算區(qū)域和網(wǎng)格的劃分,本文的計算區(qū)域包括:進口延伸段、腔體(包括吸水室、口環(huán)、前腔、后腔)、葉輪室、蝸殼和出口延伸段。離心泵的全六面體網(wǎng)格如圖2所示。采用ICEM生成六面體網(wǎng)格過程中,拓撲塊的生成和映射是非常關(guān)鍵的步驟。根據(jù)幾何形狀,對創(chuàng)建的矩形塊進行一系列的切割、拉伸、復(fù)制;點、線、面關(guān)聯(lián)等;最終得到與實體相似的塊結(jié)構(gòu)才能保證生成高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格。在ICEM中,創(chuàng)建拓撲塊有2種方式,分別為“自頂向下”拓撲創(chuàng)建和“自底向上”拓撲創(chuàng)建。本文在創(chuàng)建蝸殼和進出口延伸段的拓撲塊時采用“自頂向下”的方法;葉輪室和腔體采用“自底向上”的方法進行繪制。除腔體外,文中其余計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分方法與文獻相似,只是在近壁區(qū)域、葉片進出口和蝸殼隔舌處略有不同。在進行腔體的網(wǎng)格劃分時,首先畫出吸水室的“O”型拓撲塊。由圖3可見,“O”型拓撲塊由外圍的環(huán)繞塊和內(nèi)部的主塊組成,在完成吸水室的拓撲塊后,將外圍的環(huán)繞塊拉伸并將得到的塊結(jié)構(gòu)與口環(huán)關(guān)聯(lián),這樣就得到了口環(huán)區(qū)的拓撲塊。然后按照腔體的幾何形狀繼續(xù)對口環(huán)區(qū)的塊結(jié)構(gòu)拉伸、關(guān)聯(lián)、切割,最終得到圖中所示的拓撲塊結(jié)構(gòu)。2.2y+值的檢驗為保證數(shù)值模擬的精度,近壁區(qū)流動的準確捕捉就成了模擬的關(guān)鍵,這也是壁面附近邊界層網(wǎng)格存在的原因。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)勢在于可以靈活地調(diào)節(jié)各個節(jié)點的密度以調(diào)整邊界層網(wǎng)格(即近壁面的網(wǎng)格間隔)。在處理近壁區(qū)的網(wǎng)格時,可以用y+值檢驗與壁面最近節(jié)點的位置,確保近壁區(qū)有足夠的節(jié)點數(shù)。文中y+值表示離壁面最近的網(wǎng)格節(jié)點到壁面的距離,為無量綱變量,其定義式為式中τω——壁面切應(yīng)力,N/m2ρ——流體密度,kg/m3Δd——與壁面最近網(wǎng)格節(jié)點間的距離,m在CFX軟件中,對于可升級的壁面函數(shù)方程來說,y+定義式為式中,11.06是對數(shù)方程和線性方程的交界點。根據(jù)該公式可以保證y+值不小于這個值,則所有網(wǎng)格界面均在粘性亞層外側(cè)。進行上述處理后,經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性分析得到表1所示的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,其中葉輪葉片表面y+分布如圖4所示。3泵內(nèi)部流動模擬由于不同的湍流模型對近壁區(qū)網(wǎng)格數(shù)量要求不同,根據(jù)表1所示的y+值范圍可選擇RNGk-ε湍流模型和可升級壁面函數(shù)來模擬泵內(nèi)部流動。計算域的進口采用總壓入口條件,出口給定質(zhì)量流量,取值根據(jù)試驗中的工況流量確定。葉輪形成的壁面定義為旋轉(zhuǎn)邊界,其轉(zhuǎn)速為葉輪轉(zhuǎn)速;其他壁面定義為無滑移邊界?？刂品匠痰碾x散采用基于有限元的有限體積法,對流項采用高分辨率格式,收斂精度設(shè)為10-5,并檢測揚程、效率和功率變化曲線以保證計算結(jié)果的可信度。4數(shù)值模擬結(jié)果與討論4.1速度場的分析圖5~8為離心泵全流場數(shù)值模擬結(jié)果。為便于比較,同時列出非全流場模型的計算結(jié)果,以對二者的差異進行分析。圖5為設(shè)計工況下2種模型軸面內(nèi)的速度分布,該軸面靠近蝸殼的第3、7斷面所在平面。由圖可見,在葉輪出口區(qū)域,由于泵腔的存在,全流場模型的速度分布無明顯的規(guī)律;而非全流場得到速度分布在靠近蝸殼的第7斷面,呈三角形。該斷面的壓力和速度流線分布如圖6所示。由圖中可以看出,2種模型得到的蝸殼斷面內(nèi)均存在明顯的二次流,但非全流場計算得到的蝸殼斷面的速度分布對稱性要優(yōu)于全流場模型的預(yù)測結(jié)果,而實際使用的離心泵葉輪出口區(qū)域的幾何尺寸是不對稱的。由于受到葉輪進口口環(huán)、前后泵腔間隙流的影響,在蝸殼斷面內(nèi),全流場模型不僅預(yù)測的速度分布與實際更相符,而且全流場模型得到的壓力值也低于非全流場模型。葉輪進口區(qū)域,全流場模型得到的低速區(qū)范圍小于非全流場模型;離心泵在工作時,其前腔中靠近葉輪出口處流體的壓力大于靠近葉輪進口處流體的壓力,由于口環(huán)的存在,這種壓力差會造成流體經(jīng)過口環(huán)流向葉輪進口,形成口環(huán)泄漏,該泄漏流體的流速較高,在與進口主流摻合過程中產(chǎn)生漩渦,形成葉輪進口靠近前蓋板區(qū)域的局部高速區(qū)(見圖5、圖7)。由上述分析可知,腔體的存在對離心泵的流動結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的影響。對于本文采用的模型泵而言,經(jīng)過口環(huán)流入葉輪進口的泄漏流不僅干擾葉輪進口的流態(tài),實際進入葉輪的流量也會改變。以0.66Qd工況為例,圖8為葉輪中間截面的速度云線圖,可以發(fā)現(xiàn)2種模型得到速度場的區(qū)別:采用全流場模型時,除靠近隔舌的葉輪流道外,其余各流道速度分布比較一致;而非全流場模型得到的各流道內(nèi)的速度分布差距較大,靠近蝸殼第5到第8斷面的葉輪流道內(nèi)分離渦現(xiàn)象非常明顯。在對全流場模型分析時發(fā)現(xiàn),采用全流場模型得到的葉輪流道內(nèi)也會出現(xiàn)類似于圖8b的流動情況,只是發(fā)生的流量點低些。4.2設(shè)計流量比值為讀取不同工況下離心泵的口環(huán)泄漏量,在CFX-POST軟件中垂直于口環(huán)軸線方向作5個軸截面,通過比較各截面的流量差異,最終確定不同流量下口環(huán)處的泄漏量,如圖9所示,圖中橫坐標(biāo)表示各工況點的相對流量(各工況點的實際流量與設(shè)計流量的比值),縱坐標(biāo)為各工況點的口環(huán)泄漏量與設(shè)計流量比值。由圖可見,口環(huán)泄漏量隨工況點流量的變化而變化,在設(shè)計工況點附近,口環(huán)的泄漏量約為設(shè)計流量的6.37%。該離心泵口環(huán)的內(nèi)直徑dm=81.8mm,長度L=15mm,寬度s=0.4mm(見圖10),由文獻的口環(huán)泄漏量理論計算公式得出設(shè)計工況下離心泵的口環(huán)泄漏量為3.49m3/h,即設(shè)計流量的6.98%,可見,模擬得到的泄漏量與理論計算值近似。從圖9中可以發(fā)現(xiàn),在流量0.4Qd~1.1Qd之間,口環(huán)泄漏量基本維持在設(shè)計流量的6%;由于泵在小流量工況下運行時,葉輪出口液流角的改變使得泵體和葉輪間產(chǎn)生較大的沖擊損失,并影響了口環(huán)處的泄漏水平,于是當(dāng)流量低于0.4Qd時,其泄漏量隨流量的下降迅速增加。在流量0.2Qd時,由于口環(huán)泄漏量的增加,進入葉輪的實際流量約為試驗中由泵進口測得流量的1.4倍。本文只考慮口環(huán)處的泄漏,對于同時存在口環(huán)和平衡孔的泵而言,其泄漏量可能會更大。5流量為0.2qd工況在江蘇大學(xué)流體中心實驗室的開式試驗臺上對離心泵進行性能試驗。由圖11可知,模擬結(jié)果與試驗結(jié)果較為接近,在設(shè)計工況點,離心泵的揚程試驗值為34.04m,效率試驗值為74.42%;而揚程模擬值為34.31m,效率模擬值為73.75%。即揚程相對誤差為0.79%,效率相對誤差為0.9%。隨著流量的降低,模擬值與試驗值的偏差增大,不過這種偏差仍處于可接受的范圍內(nèi),多數(shù)工況點的模擬結(jié)果與試驗值的誤差未超過5%。然而在流量0.2Qd工況時,離心泵的揚程模擬值為37.07m,效率模擬值為39.27%;而揚程試驗值為39.54m,效率試驗值為35.83%;其揚程相對誤差為6.24%,效率相對誤差為9.61%,極小流量點的數(shù)值模擬精度仍有待提高。6數(shù)值模擬結(jié)果的擬方法(1)在設(shè)計工況點附近,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的離心泵全流場數(shù)值模擬得到的揚程和效率值與試驗結(jié)果較為接近,說明本文采用數(shù)值方法的可靠性,全流場模型的模擬方法對于提高離心泵的