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多级离心泵内部流场优化与分析

   日期:2017-11-28     浏览:688    
核心提示:本文采用 Fluent 软件对多级离心泵的出口段进行了流体仿真。在Gambit中对模型进行网格划分和边界条件设定,导入 Fluent 中计算后得到出口段内部流场的速度与压力分布图。结合仿真数据分析了流场内的流动特性,流场内速度、压力分布相对不均匀,同时介质流动时局部区域出现涡流…

史海勇 方晓燕 董佳旭 彭彦平

(大连工业大学 机械工程与自动化学院 辽宁 大连 116034

摘要:本文采用 Fluent 软件对多级离心泵的出口段进行了流体仿真。在Gambit中对模型进行网格划分和边界条件设定,导入 Fluent 中计算后得到出口段内部流场的速度与压力分布图。结合仿真数据分析了流场内的流动特性,流场内速度、压力分布相对不均匀,同时介质流动时局部区域出现涡流现象,增大了泵工作时的振动噪声,降低了效率。为此修改了流道的模型并重新进行了仿真计算,修改后模型的流动特性较好且不存在涡流区域。仿真模拟后确定了叶轮与出口段蜗室形状尺寸,为确定多级离心泵总体的结构尺寸提供了理论依据。

关键词:多级离心泵;CFD;优化设计

Optimization and analysis of internal flow field in multistage centrifugal pumps

SHI Hai-yong,FANG Xiaoyan,DONG Jiaxu,PENG Yanping

School of Mechanical Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China

AbstractIn this paper, The FLUENT software is used to simulate the fluid flow in the outlet section of centrifugal pump of multistage type. In the Gambit, the model is meshed and the boundary conditions are set up. The velocity and pressure distribution of the flow field in the exit section are obtained by importing Fluent. Combined with the simulation data, the flow characteristics in the flow field were analyzed, and the velocity and pressure distribution in the flow field were relatively uneven. At the same time, the vortex phenomenon occurs in the local region of the medium flow, which increases the vibration noise and reduces the efficiency of the pump. For this reason, the model of the runner is modified and the simulation is carried out again. The modified model has better flow characteristics and no eddy current region exists.After simulation, the shape and size of the volute in the impeller and outlet section are determined, which provides a theoretical basis for determining the overall size of the multistage centrifugal pump.

Key wordsMultistage centrifugal pumpCFDoptimization

引言

多级离心泵工作时内部流场流动复杂,流道内的流动特性难以通过试验得到。基于计算流体动力学理论,运用 Fluent 软件对离心泵内部流场仿真计算,可以分析多级离心泵内部流场的流动特性。本文多级离心泵的首级叶轮与次级叶轮放置于中段中,中段为对结构对称的圆筒形状,其内部流动特性较为规则且对多级离心泵的工作性能影响较小,而出口段的流动特性对多级离心泵的影响很大,对多级离心泵出口段内部流场进行仿真模拟,可以大体上反映出整个多级泵的内部流动特性。通过 Gambit 软件对多级离心泵出口段模型进行网格划分并对其边界条件进行设定,而后导入 Fluent 中计算。根据仿真得到的数据,结合离心泵的相关理论计算,对多级离心泵设计改进行局部改进,使泵具有良好的流动特性。仿真后确定了叶轮与出口段蜗室的形状尺寸,为最终确定多级离心泵的结构尺寸体统了依据。

1 出口段重要参数的计算

运用 Fluent 模拟仿真离心泵内部流场时,需要将内部流道及叶轮作为计算域求解。本文分析的多级离心泵由三个叶轮串联工作,该泵串联的三个叶轮直径相同,只是在背叶片的尺寸上有所不同,介质在经过首级叶轮、次级叶轮、末级叶轮时提高的扬程基本相同。该多级离心泵的扬程 H=170m,流量 Q=110m3 /h,介质为水。泵的参数计算公式如下:

(1)

H--扬程

P1--入口压强

P2--出口压强

V1--入口速度

V2--出口速度

Z1--入口相对地面高度

Z2--出口相对地面高度

Q=VS (2)

式中:Q--多级离心泵流量,S--截面面积,V--截面速度

(3)

式中:Ma--马赫数,v--某点流速,c--当地声速

入口段入口截面是半径 R1=0.06m 的圆,出口段出口截面是半径R2=0.04m 的圆,根据公式(2)可计算出 V1=2.7m/s,V2=6.1m/s。入口段入口处压强 P1为标准大气压,根据离心泵实际装配的位置,得到Z2-Z1 =0.33m,将上述参数值带入公式(1) 中,得到出口段出口处的压强 P2=1.78Mpa。马赫数是衡量介质是否可压缩的标准,通常当马赫数大于 0.3 时,这时计算介质流动时必须考虑介质的可压缩性,而马赫数小于 0.3 时,可以把该介质作为不可压缩介质,不必考虑密度对流场的影响。根据公式(3) 可以计算出多级离心泵的马赫数远远小于 0.3,因此计算时不必考虑压缩性。

2 Gambit 前处理

2.1 模型导入并划分网格

多级离心泵出口段内部流场分析首先要确定计算的求解域,本章将出口段的内部流道及叶轮作为分析的计算域,分析前先对计算域进行建模。Gambit 作为 Fluent 的前处理软件可以在操作界面中建立模型、划分网格以及设定边界条件,然后将输出的网格模型导入 Fluent 中进行求解计算。出口段内部流道及叶轮结构简单,但是由于叶轮在设计时需要满足水利条件,叶轮曲线是有许多点连成的样条曲线,如果直接在 Gambit 中建立模型,操作十分复杂并且不能保证叶轮曲线的准确性,因此本节将 CAD 中建立完成的计算域导入 Gambit 中再划分网格及设置边界类型`1-3`

模型导入后需要对模型进行网格划分,出口段内部流道与末级叶轮是别导入Gambit 中的,在其操作界面中生成两个不同的几何体,划分网格时应分别对两个几何体划分网格。由于模型结构较为简单,网格单元选用四边形单元,相对于三角形单元,在网格数量相同时,四边形网格具有较高的求解精度。叶轮工作表面与背面是样条曲线,若采用结构网格划分可能出现畸形单元,导致局部求解不精确,严重时会使迭代计算不收敛,因此选用非结构网格对叶轮和内部流道划分网格。网格划分时应该选取适当的尺寸大小,尺寸过大时生成的网格数量少,不能保证结果的准确性;尺寸过小时生成的网格数量过大,计算时需要耗费大量的时间,可能出现收敛速度缓慢甚至不收敛的情况,同时过多的网格数量与适当的网格数相比并不能提高网格的精度。由于叶轮盖板与流道内部的圆重叠,为了保证网格的质量,在重叠处生成的网格单元尺寸应该近似。划分后网格如图1所示。

1 网格划分

Figure1 Grid division

3 Gambit 边界设置

网格划分后需要对内部流场设置边界,根据上节计算结果可以确定叶轮进口处的速度以及出口处的压强,将出口设置成压力出口条件。速度入口边界条件只能应用于不可压缩流体的分析,而本章研究的介质是水,且公式(2)计算后马赫数远远小于 0.3,因此可以将叶轮的入口设置成速度入口边界条件。叶轮与内部流道存在一个公共的交界面,如果不设置边界条件,则叶轮与流道中的水无法流通,因此需要将交界面分别设成interface 类型,以保证计算的准确性。在实际工作中,叶轮相对于内部流道是相对转动的,为了在 Fluent 中设置参数,需要将叶轮入口、工作面与背面、前后盖板设置成旋转壁面,其他保持默认设置,如图2所示。Fluent 会自动将其他边界设置成壁面。最后将完成设置边界类型后的模型输出 2-D 网格文件。

2 边界条件

Figure2 Boundary condition

4 Fluent 计算过程

4.1 Fluent求解前相关设置

求解器的选择:本次计算分析的模型为二维模型且单进度求解器在大多数情况下可以达到精确计算,因此选择2d单精度求解器,如图3所示。

3 选择求解器

Figure3 Select solver

网格检查:进入 Fluent 后读取Gambit网格文件,并在 Define 选项下选择 Grad Interfaces,在界面内将流道叶轮交界面设置成 interface。设置完成后对网格进行检查,检查网格主要是看网格中是否存在负体积与负面积,若存在,则说明网格存在错误,需要重新返回 Gambit 中进行网格划分,内部流场的网格检查如图4所示`4`

4 网格检查

Figure4 Grid check

4.2 求解参数设置

湍流模型的选择 :本文主要分析出口段内部流场在稳态下的速度分布与压力分布,模型求解过程中选择 2D 稳态模型求解。由于是对不可压缩介质进行模拟仿真,求解方法选择基于压力的求解器比较合适,在保证分析的精度同时,又能占用较小的内存。湍流模型中提供了单方程模型、双方程模型和 Renolds 应力模型,通常单方程模型求解精度不高,而 Renold 应力模型虽计算精度很高,但其包含 5 个方程,计算结果漫长且不容易收敛`6-8`,鉴于出口段内部流场流动不是特别复杂,在保证精度的情况下,综合考虑后选择双方程模型。双方程模型中k-ε模型适用于完全湍流且高雷诺数的情况,因此分析时选用k-ε模型,湍流模型的其他参数保持默认值可,如图5所示。

5 选择湍流模型

Figure5 Select of turbulence mode

边界条件参数计算及设定:在定义物质的选项中将分析的物质定义为水,随后选项表中会自动给出水的密度ρ及动力粘性系数μ的数值,ρ=1000kg/m3 ,μ=0.001kg/(m*s)。完成对介质的定义后需要对计算域给出边界条件的设定值`9-10`。在 gambit 中已经将叶轮的入口设置为速度入口边界,在 Fluent 的边界条件中打开入口速度边界选项,由于末级叶轮入口面积与首级叶轮出口面积相同,前面已经计算得出首级叶轮入口处速度 V1=2.7m/s,因此出口段入口速度也为2.7m/s。出口段的内部流场的湍流已经发展的非常充分,可以选择湍流强度与水力直径作为参数求解。水力直径为叶轮入口处直径,湍流强度的计算公式如下:

(4)

式中:Re 为雷诺数,d 为管道直径,V 为平均流速, μ为动力粘性系数

(5)

式中:I为湍流强度。

将各参数带入公式 4)、(5) 中得到入口处的湍流强度 I1=3.6%,将上述参数填入选项中,如图6所示。在压力出口处压强 P2=1.78Mpa,由于出口静压值设定是相对于操作压力的值,操作压力为 0.1Mpa,出口静压值设定为 1.68Mpa,湍流强度 I2=3.4%,水力直径为 0.08m,出口处压强设置如图7所示。

6 入口边界条件

Figure6 Inlet boundary condition

7 入口边界条件

Figure7 Outlet boundary condition

求解控制参数设定:在设定好边界条件之后,Fluent 在求解控制器中会自动设定收敛因子以及求解的解法,通常这些参数是适合当前的计算方法的,因此不需要修改这些参数。迭代计算之前需要对整个计算域进行初始化,初始化分为入口初始化和全局初始化,两种初始化方法不会对计算的结果产生影响,只是在迭代计算中对收敛的影响较大。全局初始化通常用在流场中扩散较大的情况,本分析采用入口初始化,如图8所示。收敛判定依据保持默认设置,设置迭代 1000 次,在迭代 461 次后迭代收敛,监视残差如图9所示。

8 求解控制器的设定

Figure8 Setting of solution controller

9 监视残差

Figure9 Monitoring of residual

4.3 求解结果解析

出口段内部流场结果分析:多级离心泵出口段内部流场在 Fluent 中迭代计算完成后,在 Display 选项中可以得到流场内部的速度分布矢量图以及压力分布云图,如图1011所示。

10 压力分布图

Figure10 Diagram of pressure distribution

11 速度分布图

Figure11 Diagram of velocity distribution

从静压分布图中可以看出,由于叶轮旋转做功,出口段叶轮流道内的静压从叶轮的进口到出口逐渐增加,压力梯度变化较为均匀。压力最小值出现在叶轮进口处,与实际情况相符,当该处压力小于水的汽化压力时会产生汽蚀现象。在相同的半径下,叶轮叶片工作面附近处的静压高于叶片背面处静压,与理论相符。出口段整体的静压分布呈非对称结构,叶轮以下位置流道从左侧到右侧静压逐渐增加,这是由于流道内介质从左侧运动到右侧时速度逐渐降低,介质的速度能转化为压能。

从速度分布图中可以看出,叶轮进口处的速度比较低,从叶轮进口到出口速度逐渐增大,整个叶轮流道内的速度分布相对不均匀,且速度梯度相对较大。叶轮上部靠近出口处产生漩涡,使得区域内的静压与速度减小,流动呈现复杂化,泵的效率与稳定性受到影响。由于离心力作用水从叶轮中甩出后会沿着出口段内部流道壁面运动,当水刚从叶轮甩出时,当速度方向与其附近沿着流道运动的水的速度方向存在一定角度时,水流会产生一定的冲击,造成水利损失,由于从叶片打出的水经过叶轮增加动能后具有较大的速度,冲击时可能伴随着噪音以及振动。

多级离心泵出口段在叶轮上部靠近出口处形成了涡流,使得该处的速度与压强变化较大,可能产生振动噪音,并且影响离心泵的效率。产生涡流的原因是由于连接流道底部与出口处的区域存在尖角,使该区域处的介质速度发生了突变,形成了较大的方向向右的分速度,形成了涡流区域。为了避免流场内存在涡流,修改中间流道形状,使其与流道底部和出口处光滑连接,修改后的模型如图12所示。将修改后的模型导入 Fluent中进行内部流场计算,得出修改后出口段的速度矢量图与压力分图如图13/14所示。

12 修改模型网格图

Figure12 Mesh of modified model

13 修改模型压力分布图

Figure13 Pressure distribution of the modified model

14 修改模型速度分布矢量图

Figure14 Vector diagram of velocity distribution of the modified model

从速度矢量图中可以看出,出口段流场内没有产生涡流现象,同时速度和压力分布较为均匀,与原模型内部流场相比具有较好的流动特性,可以减小振动噪音的产生,一定程度上提高泵的效率。

5 结语

通过运用Fluent软件对多级离心泵出口段内部流场进行了仿真分析,得到了内部流场的速度分布、压力分布与速度矢量图,分析了内部流场的流动特性。由于原模型泵中存在涡流区域,对流道的线型进行了修改,避免产生涡流的情况,与原模型相比,修改后的模型具有良好的流动特性,减少了多级离心泵运行时振动与噪声,保证出口段的工作性能与稳定性。通过 Fluent软件仿真优化后的水利零部件具有较好的流动特性,可以确定选用叶轮与出口段蜗室的形状尺寸,为最终确定多级离心泵的结构尺寸体统了依据。

参考文献

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`3`王洋,李敏敏,张文静等.两段变曲率叶型离心泵流场数值模拟`J`.农业机械学报,2012,43(1):53-57.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2012.01.011.

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`8`徐存东,南瑞芳,魏怀东等.大型双吸离心泵流场数值模拟及汽蚀修复`J`.水利与建筑工程学报,2014,(3):199-203,208.DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.03.044.

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`10`率志君,张权,陈春来等.多级离心泵整机流场三维非稳态湍流压力脉动特性分析`J`.哈尔滨工程大学学报,2013,34(3):306-311.DOI:10.3969/j.issn.1006-7043.201202005.

 
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