二維離心泵葉輪內(nèi)流場的數(shù)值模擬

2016-12-07  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

二維離心泵葉輪內(nèi)流場的數(shù)值模擬
尤琳(豪邁化工)引言泵是輸送液體或使液體增壓的機(jī)械。它將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能或其他外部能量傳送給液體,使液體能量增加,從而是液體的位置得到提升或輸送距離變遠(yuǎn)。離心泵是一種用量最大的泵,在給排水及農(nóng)業(yè)過程、固體顆粒液體輸送工程、石油及化學(xué)工業(yè)、航空航天和航海工程、能源工程和車輛工程等國民經(jīng)濟(jì)部門都有廣泛應(yīng)用。泵是我國最重要的三大類機(jī)械產(chǎn)品(汽車、機(jī)床、水泵)之一,泵工作所耗電量約為我國總用電量的四分之一。所以,解決離心泵能耗高、效率低、揚(yáng)程低的突出問題,不僅是解決國家能源問題的迫切需求,也是企業(yè)和用戶持續(xù)發(fā)展的需要。葉輪是離心泵的最主要的過流部件,是離心泵轉(zhuǎn)換能量的核心部件,但也是在運(yùn)行中因?yàn)樵O(shè)計(jì)問題或者運(yùn)行不合理等原因最容易遭受到破壞的部件,其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對泵的性能有很大影響。近年來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,利用有限元軟件實(shí)現(xiàn)離心泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬,為了解和掌握離心泵復(fù)雜的內(nèi)部流動(dòng)開辟 了新的途徑,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不足,對離心泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)、水力性能的改善、提高其效率具有非常重要的意義。1泵的介紹1.1泵的分類把提升液體、輸送液體或使液體增加壓力,即把原動(dòng)力機(jī)的機(jī)械能變?yōu)橐后w能量的機(jī)器統(tǒng)稱為泵。泵的用途各不相同,根據(jù)作用原理可分為三大類:葉片式泵、容積式泵、其他類型的泵,詳細(xì)的泵的分類見圖1。其中,容積式泵是利用工作容積周期性變化來輸送液體;葉片式泵是靠裝有葉片的葉輪高速旋轉(zhuǎn)完成的,容積式泵和葉片式泵的適用范圍和特性比較見表1。 1.2離心泵本文以離心泵為研究對象。離心泵的基本構(gòu)造是由六部分組成的,分別是葉輪,泵體,泵軸,軸承,密封環(huán),填料函。離心泵在工作時(shí),依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪,液體在慣性離心力作用下獲得了能量以提高壓強(qiáng)。離心泵在工作前,泵體和進(jìn)口管線必須罐滿液體介質(zhì),防止氣蝕現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)葉輪快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),葉片促使介質(zhì)很快旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)著的介質(zhì)在離心力的作用下從葉輪中飛出,泵內(nèi)的水被拋出后,葉輪的中心部分形成真空區(qū)域。一面不斷地吸入液體,一面又不斷地給予吸入的液體一定的能量,將液體排出。離心泵便如此連續(xù)不斷地工作。 圖2 離心泵示意圖離心泵的性能參數(shù)如:流量Q、揚(yáng)程H、軸功率N、轉(zhuǎn)速n、效率η之間存在的一定的關(guān)系。他們之間的量值變化關(guān)系用曲線來表示,這種曲線就稱為離心泵的性能曲線。主要有三條曲線:流量—揚(yáng)程曲線,流量—功率曲線,流量—效率曲線。離心泵的性能參數(shù)之間的相互變化關(guān)系及相互制約性:首先以該水泵的額定轉(zhuǎn)速為先決條件。各種不同型號(hào)的離心泵各有其特性曲線,形狀基本相似,具有以下共同特征1、壓頭隨流量的增大而下降;2、功率隨流量增大而上升。故離心泵在啟動(dòng)前應(yīng)關(guān)閉出口閥,使其在所需功率最小的條件下啟動(dòng),以減少電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電源;同時(shí)也避免出口管線的水力沖擊。3、效率先隨流量增大而上升,達(dá)到一最大值后又逐步下降。離心泵銘牌上標(biāo)明的Q、H、N、η通常就是最高效率點(diǎn)(即設(shè)計(jì)點(diǎn))之值。根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)選用離心泵時(shí),應(yīng)使泵在最高效率點(diǎn)附近操作。 圖3 某離心泵特性曲線圖離心泵的優(yōu)點(diǎn)是:⑴排量大、平穩(wěn)均勻;⑵結(jié)構(gòu)簡單、緊湊,尺寸小,重量輕,制造安裝成本低;⑶易損件少,檢修、管理和使用方便;⑷可與高速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng),速度越高,壓頭越高;⑸容易實(shí)現(xiàn)多級(jí),滿足高壓頭。缺點(diǎn)是:⑴ 不適應(yīng)小流量工況;⑵ 同功率下沒有往復(fù)式泵的壓力高;⑶ 輸送高粘度、含砂、雜質(zhì)液體的問題多;⑷ 泵吸入管與泵腔內(nèi)需要灌滿液體后啟動(dòng)。離心泵在實(shí)際操作過程中,常常需要調(diào)節(jié)流量。從泵的工作特點(diǎn)可知,調(diào)節(jié)流量實(shí)際上就是改變離心泵的特性曲線或管路特性曲線從而改變泵的工作點(diǎn)的問題。1.管路特性曲線的改變一般是通過調(diào)節(jié)閥門的開度實(shí)現(xiàn)的。閥門關(guān)小,管路特性曲線變陡,反之,則變平坦。采用閥門調(diào)節(jié)流量方法簡單,流量可以連續(xù)變化,缺點(diǎn)是損失于閥門的機(jī)械能較大。2.改變離心泵特性曲線,可以采用改變轉(zhuǎn)速切削葉輪的方法。有時(shí)也可以采用泵的串并聯(lián)方法來適應(yīng)不同的流量。1.3離心泵的葉輪葉輪一般由輪轂、葉片和蓋板三部分組成。葉輪的蓋板有前蓋板和后蓋板之分,葉輪入口側(cè)的蓋板稱為前蓋板,另一側(cè)的蓋板稱為后蓋板。按結(jié)構(gòu)形式,葉輪可分為開式、半開式和閉式三種。 圖4 三種形式的葉輪示意圖葉輪是離心泵的核心部件,旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片對水做功是水流通過泵后能量增加的原因。葉輪應(yīng)保證在水力損失最小、汽蝕發(fā)生可能最小的條件下,水流通過泵后獲得預(yù)期的能量值,同時(shí)保證泵有其他期望的外部運(yùn)行特性。離心泵葉輪設(shè)計(jì)的合理性對泵的性能影響非常大,除傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法以外,利用有限元計(jì)算方法對泵的葉輪進(jìn)行優(yōu)化,可以通過流場信息,判斷葉輪的功效性,從而使泵具有更優(yōu)良的性能。2 葉輪內(nèi)流場的數(shù)值模擬本文以一個(gè)2D離心泵為例,利用ANSYS Workbench Fluent模塊,轉(zhuǎn)動(dòng)參考系方法,對其內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬。2.1問題描述研究對象為一2D離心泵,該離心泵由旋轉(zhuǎn)的葉輪和靜止的蝸殼兩部分構(gòu)成。流體從葉輪中央的圓形進(jìn)口沿徑向均勻進(jìn)入葉輪,經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的葉片作用后,從蝸殼出口排出。離心泵的葉輪直徑為700mm,輪轂直徑為350mm,葉片數(shù)為6,轉(zhuǎn)速為1470rpm。2.2
模型及網(wǎng)格劃分計(jì)算流體區(qū)域由兩部分組成:隨著葉輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)的流動(dòng)區(qū)域(葉輪區(qū)域)和處在蝸殼內(nèi)不轉(zhuǎn)動(dòng)的流體區(qū)域(蝸殼區(qū)域)。離散化后的離心泵二維網(wǎng)格圖如圖5所示。
邊界條件設(shè)定本文中的流體均為不可壓縮流體,采用基于壓力求解器(pressure based solver),二維空間(2D),雙精度,定常流動(dòng),絕對速度。在General面板中選中Gravity復(fù)選框,定義Y方向的重力加速度為-9.81m/s2;設(shè)置湍流模型為k-Epsilon(2 eqn)模型,模型的系數(shù)均用默認(rèn)值;在選擇求解控制參數(shù)中,對壓力與速度耦合方式,選擇SIMPLEC,對Momentum(動(dòng)量)選擇Second Order Upwind(二階迎風(fēng)格式),對Turbulence Kinetic Energy(湍動(dòng)能)、對Turbulence Dissipation Rate(耗散率)均選擇First Order Upwind(一階迎風(fēng)格式)。亞松弛因子等均按默認(rèn)設(shè)置。2.4
結(jié)果與討論經(jīng)ANSYS workbench Fluent軟件中模擬,得到離心泵的速度矢量云圖、壓力分布云圖、湍動(dòng)能云圖,見圖:從圖6速度矢量云圖可見,流體在葉輪進(jìn)口處流動(dòng)比較均勻,進(jìn)口處的流速比較低,從葉輪的進(jìn)口到葉輪的出口速度逐漸增大,在未達(dá)到葉輪中間的位置達(dá)到最大,之后速度減小。在蝸殼內(nèi)空腔范圍較大的位置,流速偏低,最小為5.01m/s,而在葉輪靠近入口側(cè)偏中間部位流速達(dá)到最大,為100m/s。 圖6 二維離心泵模型速度矢量云圖從圖7壓力分布云圖可見,在葉輪流道內(nèi),由于葉片對流體做功,靜壓值由葉輪進(jìn)口到出口逐漸增大,在葉片工作面末端接近后蓋板處達(dá)到最大值。在葉片的凸面?zhèn)鹊膲毫χ得黠@高于凹面?zhèn)鹊膲毫χ怠Ｔ谌~片凹面?zhèn)热肟谔幧踔脸霈F(xiàn)負(fù)壓區(qū),該區(qū)域是最容易發(fā)生汽蝕的部位。 圖7 二維離心泵模型壓力分布云圖從圖8湍動(dòng)能云圖可見,在葉輪流道內(nèi),流道入口以及頁面凸面?zhèn)茸罡唿c(diǎn)附近湍動(dòng)能較大,最高湍動(dòng)能約是最低湍動(dòng)能的6倍。 圖8 二維離心泵模型湍動(dòng)能云圖以離心泵葉輪為例,對其內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬,得到速度場、壓力場及湍動(dòng)能分布,為離心泵設(shè)計(jì)及改良提供參考依據(jù)。通過數(shù)值模擬分析方法,比較不同形式的葉輪的功效性或者比較不同形式離心泵的性能,都是直觀又方便的。參考文獻(xiàn)[1]薛冰軍.離心泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)分析,河北工程大學(xué), 2012.[2]李紅梅,胡家順,方松林.離心泵內(nèi)二維流場的數(shù)值模擬,中國水運(yùn). 2006,6(11):60-61.[3]鐵巍巍.離心泵葉輪的有限元分析及內(nèi)部流場的數(shù)值模擬,合肥工業(yè)大學(xué), 2011.[4]萬映娟.離心泵葉輪內(nèi)流場的數(shù)值模擬,西華大學(xué), 2008.謝謝閱讀

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