二維離心泵葉輪內流場的數值模擬

2016-12-07  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

二維離心泵葉輪內流場的數值模擬
尤琳(豪邁化工)引言泵是輸送液體或使液體增壓的機械。它將原動機的機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。離心泵是一種用量最大的泵,在給排水及農業過程、固體顆粒液體輸送工程、石油及化學工業、航空航天和航海工程、能源工程和車輛工程等國民經濟部門都有廣泛應用。泵是我國最重要的三大類機械產品(汽車、機床、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,也是企業和用戶持續發展的需要。葉輪是離心泵的最主要的過流部件,是離心泵轉換能量的核心部件,但也是在運行中因為設計問題或者運行不合理等原因最容易遭受到破壞的部件,其設計的優劣對泵的性能有很大影響。近年來,隨著計算機技術的快速發展,利用有限元軟件實現離心泵內部流場數值模擬,為了解和掌握離心泵復雜的內部流動開辟 了新的途徑,彌補了傳統設計方法的不足,對離心泵的優化設計、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,即把原動力機的機械能變為液體能量的機器統稱為泵。泵的用途各不相同,根據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。離心泵的基本構造是由六部分組成的,分別是葉輪,泵體,泵軸,軸承,密封環,填料函。離心泵在工作時,依靠高速旋轉的葉輪,液體在慣性離心力作用下獲得了能量以提高壓強。離心泵在工作前,泵體和進口管線必須罐滿液體介質,防止氣蝕現象發生。當葉輪快速轉動時,葉片促使介質很快旋轉,旋轉著的介質在離心力的作用下從葉輪中飛出,泵內的水被拋出后,葉輪的中心部分形成真空區域。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。離心泵便如此連續不斷地工作。 圖2 離心泵示意圖離心泵的性能參數如:流量Q、揚程H、軸功率N、轉速n、效率η之間存在的一定的關系。他們之間的量值變化關系用曲線來表示,這種曲線就稱為離心泵的性能曲線。主要有三條曲線:流量—揚程曲線,流量—功率曲線,流量—效率曲線。離心泵的性能參數之間的相互變化關系及相互制約性:首先以該水泵的額定轉速為先決條件。各種不同型號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。故離心泵在啟動前應關閉出口閥,使其在所需功率最小的條件下啟動,以減少電動機的啟動電源;同時也避免出口管線的水力沖擊。3、效率先隨流量增大而上升,達到一最大值后又逐步下降。離心泵銘牌上標明的Q、H、N、η通常就是最高效率點(即設計點)之值。根據生產任務選用離心泵時,應使泵在最高效率點附近操作。 圖3 某離心泵特性曲線圖離心泵的優點是:⑴排量大、平穩均勻;⑵結構簡單、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可與高速電機直接驅動,速度越高,壓頭越高;⑸容易實現多級,滿足高壓頭。缺點是:⑴ 不適應小流量工況;⑵ 同功率下沒有往復式泵的壓力高;⑶ 輸送高粘度、含砂、雜質液體的問題多;⑷ 泵吸入管與泵腔內需要灌滿液體后啟動。離心泵在實際操作過程中,常常需要調節流量。從泵的工作特點可知,調節流量實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的問題。1.管路特性曲線的改變一般是通過調節閥門的開度實現的。閥門關小,管路特性曲線變陡,反之,則變平坦。采用閥門調節流量方法簡單,流量可以連續變化,缺點是損失于閥門的機械能較大。2.改變離心泵特性曲線,可以采用改變轉速切削葉輪的方法。有時也可以采用泵的串并聯方法來適應不同的流量。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,葉輪入口側的蓋板稱為前蓋板,另一側的蓋板稱為后蓋板。按結構形式,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。葉輪應保證在水力損失最小、汽蝕發生可能最小的條件下,水流通過泵后獲得預期的能量值,同時保證泵有其他期望的外部運行特性。離心泵葉輪設計的合理性對泵的性能影響非常大,除傳統設計方法以外,利用有限元計算方法對泵的葉輪進行優化,可以通過流場信息,判斷葉輪的功效性,從而使泵具有更優良的性能。2 葉輪內流場的數值模擬本文以一個2D離心泵為例,利用ANSYS Workbench Fluent模塊,轉動參考系方法,對其內部流場進行數值模擬。2.1問題描述研究對象為一2D離心泵,該離心泵由旋轉的葉輪和靜止的蝸殼兩部分構成。流體從葉輪中央的圓形進口沿徑向均勻進入葉輪,經過旋轉的葉片作用后,從蝸殼出口排出。離心泵的葉輪直徑為700mm,輪轂直徑為350mm,葉片數為6,轉速為1470rpm。2.2
模型及網格劃分計算流體區域由兩部分組成:隨著葉輪一起轉動的流動區域(葉輪區域)和處在蝸殼內不轉動的流體區域(蝸殼區域)。離散化后的離心泵二維網格圖如圖5所示。
邊界條件設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,絕對速度。在General面板中選中Gravity復選框,定義Y方向的重力加速度為-9.81m/s2;設置湍流模型為k-Epsilon(2 eqn)模型,模型的系數均用默認值;在選擇求解控制參數中,對壓力與速度耦合方式,選擇SIMPLEC,對Momentum(動量)選擇Second Order Upwind(二階迎風格式),對Turbulence Kinetic Energy(湍動能)、對Turbulence Dissipation Rate(耗散率)均選擇First Order Upwind(一階迎風格式)。亞松弛因子等均按默認設置。2.4
結果與討論經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、湍動能云圖,見圖:從圖6速度矢量云圖可見,流體在葉輪進口處流動比較均勻,進口處的流速比較低,從葉輪的進口到葉輪的出口速度逐漸增大,在未達到葉輪中間的位置達到最大,之后速度減小。在蝸殼內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偏中間部位流速達到最大,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,由于葉片對流體做功,靜壓值由葉輪進口到出口逐漸增大,在葉片工作面末端接近后蓋板處達到最大值。在葉片的凸面側的壓力值明顯高于凹面側的壓力值。在葉片凹面側入口處甚至出現負壓區,該區域是最容易發生汽蝕的部位。 圖7 二維離心泵模型壓力分布云圖從圖8湍動能云圖可見,在葉輪流道內,流道入口以及頁面凸面側最高點附近湍動能較大,最高湍動能約是最低湍動能的6倍。 圖8 二維離心泵模型湍動能云圖以離心泵葉輪為例,對其內部流場進行數值模擬,得到速度場、壓力場及湍動能分布,為離心泵設計及改良提供參考依據。通過數值模擬分析方法,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[1]薛冰軍.離心泵內部流場的數值模擬和實驗分析,河北工程大學, 2012.[2]李紅梅,胡家順,方松林.離心泵內二維流場的數值模擬,中國水運. 2006,6(11):60-61.[3]鐵巍巍.離心泵葉輪的有限元分析及內部流場的數值模擬,合肥工業大學, 2011.[4]萬映娟.離心泵葉輪內流場的數值模擬,西華大學, 2008.謝謝閱讀

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