復(fù)合葉輪離心泵的全三維湍流數(shù)值模擬

提出旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的單相液體湍流的二階雙系數(shù)動態(tài)亞格子應(yīng)力大渦模擬模型并加以驗(yàn)證。考慮亞格子應(yīng)力的對稱性和量綱一致性,在基于應(yīng)變率張量和旋轉(zhuǎn)率張量的不可約量及smagorinsky模型和亥姆霍茲定理的基礎(chǔ)上,提出亞格子應(yīng)力應(yīng)表示為可解的應(yīng)變率張量和旋轉(zhuǎn)率張量的函數(shù)。在貼體坐標(biāo)系下,利用交錯(cuò)網(wǎng)格系統(tǒng)和有限體積法離散湍流控制方程,采用simplec方法求解方程。水泵葉輪中湍流的流速分布規(guī)律和壓力分布等計(jì)算結(jié)果都與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,從而證明了此模型的可行性,以及計(jì)算方法和程序的可靠性

從現(xiàn)有的二維水力設(shè)計(jì)軟件出發(fā),依據(jù)葉片木模圖、型值點(diǎn)數(shù)據(jù),利用pro/ewildfire4.0軟件,實(shí)現(xiàn)了扭曲葉片的三維造型,為后續(xù)對葉輪流道進(jìn)行流場分析和葉片數(shù)控加工提供了模型基礎(chǔ)。

為了提升雙吸離心泵的性能,研究其內(nèi)部流動規(guī)律,采用rngk-ε方程湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)simple算法對某一扭曲葉片雙吸離心泵全流道進(jìn)行了cfd分析,并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較。結(jié)果表明,該方法能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測出雙吸離心泵葉輪與蝸殼間及內(nèi)部的流動特性,所得結(jié)果對進(jìn)行雙吸離心泵的水力設(shè)計(jì)或改型優(yōu)化設(shè)計(jì)等研究具有重要的指導(dǎo)意義。

以hd400-160×2型石油化工流程泵首級雙吸式葉輪的設(shè)計(jì)參數(shù)為依據(jù),建立標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,并通過simpl算法進(jìn)行速度壓力耦合對葉輪內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬。得出了其壓力和速度的分布規(guī)律,揭示了其內(nèi)部流動的主要特征,獲得了與實(shí)際情況相符的流動細(xì)節(jié),由此可以對雙吸式葉輪內(nèi)的流場有定性的認(rèn)識。

葉片水力模型提供的葉片表面型值點(diǎn)柱坐標(biāo)不能直接用于ugnx三維造型。在葉片水力模型的基礎(chǔ)上,給出計(jì)算葉片表面型值點(diǎn)直角坐標(biāo)的算法流程,介紹沿軸面截線方向進(jìn)行葉片三維造型的方法,簡述基于ugnx平臺的葉片三維造型二次開發(fā)的步驟,定義程序開發(fā)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),在支撐軟件ugnx中程序化實(shí)現(xiàn)葉片的三維實(shí)體造型。實(shí)際使用結(jié)果表明該方法可以縮短葉片類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期,提高設(shè)計(jì)精度。

利用目前最新的多尺度激光掃描技術(shù)手段獲取大型雙吸離心泵全方位的真三維數(shù)據(jù),建立雙吸離心泵的三維可視化模型。該技術(shù)在用于獲取復(fù)雜外形實(shí)體數(shù)據(jù)時(shí)比傳統(tǒng)測量方法更為精確和快速。泵的真三維模型數(shù)據(jù)成果,可用于泵的逆向工程建模獲取cad模型,進(jìn)行全方位立體三維展示和工業(yè)制造;還可通過對泵的過水部件的水體模型提取,進(jìn)行計(jì)算流體動力學(xué)(cfd)分析,用于泵水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

離心泵是重要的船用機(jī)械配套設(shè)備，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和功能強(qiáng)大的三維制圖軟件為構(gòu)造具有復(fù)雜曲面的離心泵蝸殼及葉輪流道提供了極大的便利。本文在逆向工程思想的指導(dǎo)下，結(jié)合三維激光掃描儀、相關(guān)點(diǎn)云處理軟件和三維cad軟件，精確地構(gòu)建出離心泵的三維模型。建立泵的三維水力模型，利用cfd方法分析其內(nèi)部流動現(xiàn)象和規(guī)律。將離心泵性能預(yù)測值與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，結(jié)果表明兩者符合的很好，為泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提升打下了基礎(chǔ)。

利用nurbs方法對離心泵葉片進(jìn)行建模,建立了離心泵葉片的空間樣條曲線,并應(yīng)用類流線方法對葉片進(jìn)行優(yōu)化,使葉片在保持原有形狀的基礎(chǔ)上更為光滑。結(jié)果表明,利用該方法建立的模型,可以真實(shí)完整地反映葉片的形狀,優(yōu)化后的葉片表面的褶皺和凹凸消失,為葉片的性能分析、數(shù)控加工等工作提供了方便。

基于reynolds時(shí)均化的n-s方程和標(biāo)準(zhǔn)的k-ε兩方程湍流模型,運(yùn)用流場計(jì)算軟件fluent,在不同工況下對qw950-15-55型雙流道污水泵葉輪蝸殼耦合流場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,捕捉到了雙流道葉輪內(nèi)流的重要特征。依據(jù)計(jì)算結(jié)果,主要分析了設(shè)計(jì)工況時(shí)雙流道葉輪內(nèi)部的速度和壓力分布情況。葉輪內(nèi)壓力分布與葉片式離心泵的數(shù)值模擬是類似的;在偏離設(shè)計(jì)的大流量工況,葉輪流道內(nèi)的流動呈現(xiàn)明顯的不對稱性;葉輪內(nèi)部流動為混合螺旋流,由軸向旋渦作用引發(fā)的相對速度旋渦的渦核位置靠近后蓋板和壓力側(cè);葉輪出口的壓力和絕對速度分布呈現(xiàn)明顯的周期性,其周期性與葉輪流道的周期性是對應(yīng)的;靜壓周向分布的軸向不對稱性較小,而速度周向分布的不對稱性則較大。對比試驗(yàn)與數(shù)值模擬的揚(yáng)程和水力效率值,數(shù)據(jù)基本吻合。

針對同一葉輪配不同導(dǎo)流器,通過試驗(yàn)分析,探索提高潛水泵效率的途徑。以250qj125型潛水泵配兩種導(dǎo)流器為例,通過cfd數(shù)值計(jì)算,預(yù)測出潛水泵的性能,將解析法求得的潛水泵最佳工況點(diǎn)與模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較,其結(jié)果較為吻合。經(jīng)對兩種導(dǎo)流器內(nèi)部的速度場和壓力場分析,提出了增加導(dǎo)流器長度、增大導(dǎo)葉片進(jìn)口沖角和壁角等方法可提高潛水泵的效率。

應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型加壁面函數(shù)法對低比轉(zhuǎn)數(shù)沖壓多級離心泵葉輪內(nèi)的三維湍流流動進(jìn)行了時(shí)均n-s方程的數(shù)值計(jì)算。分析了葉輪內(nèi)部流場的速度分布和壓力分布,研究了離心泵葉輪通道內(nèi)流動的規(guī)律。并利用cfd軟件cfx的模擬結(jié)果得到了設(shè)計(jì)工況下離心泵葉輪的揚(yáng)程和效率的預(yù)測值,預(yù)測結(jié)果與相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。

離心泵的設(shè)計(jì)葉輪的設(shè)計(jì)

為研究離心泵啟動過程中的瞬態(tài)流動,提出采用動網(wǎng)格方法求解邊界移動引起的非定常流動的思想。首先通過對圓柱啟動問題的模擬驗(yàn)證該方法的有效性,并分別采用3種湍流模式進(jìn)行對比研究,結(jié)果證明了大渦模擬(les)的適用性;其次計(jì)算分析二維模型泵啟動過程內(nèi)部流動瞬態(tài)特性;最后實(shí)現(xiàn)了離心泵啟動過程三維瞬態(tài)流動的求解,得到了內(nèi)部瞬態(tài)流動的模擬結(jié)果。

大型雙吸式離心泵轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)龐大,局部存在形位洪差,葉輪撿修困難。葉輪合理的檢修方法對于提高勞動生產(chǎn)

在雙吸離心泵的設(shè)計(jì)中,半螺旋形吸入室應(yīng)用極為廣泛。該文運(yùn)用流場計(jì)算軟件fluent,基于reynolds時(shí)均方程和rngk-ε湍流模型,對雙吸離心泵半螺旋形吸入室的流場進(jìn)行了三維模擬。模擬結(jié)果顯示流場速度變化較為均勻,表明這種半螺旋形吸入室作為雙吸離心泵的吸入室是合適的。

針對離心污水泵內(nèi)固液兩相流動比較復(fù)雜的情況,用含沙水為工作介質(zhì),通過改變沙粒粒徑和含沙水顆粒濃度的方法,對小粒徑顆粒在離心污水泵內(nèi)的流動進(jìn)行了數(shù)值模擬。借助弄清內(nèi)流場的速度、壓力與顆粒分布,分析了粒徑大小對泵內(nèi)固體顆粒運(yùn)動的影響和進(jìn)口初始顆粒濃度對泵內(nèi)壓力和固相分布的影響,得出壓力沿葉輪吸力面和壓力面的分布規(guī)律以及固體顆粒沿葉片吸力面和壓力面的分布規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上得出了離心污水泵葉輪的磨損特性。

采用simple算法、kε-ap模型和混合四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在笛卡爾坐標(biāo)系中對離心式污水泵內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,得出了污水泵內(nèi)固體顆粒的流動規(guī)律以及固體顆粒的分布特征,為離心式污水泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考。

為了解多級離心泵首級葉輪內(nèi)部流動特性,基于n-s方程和標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型對三長三短復(fù)合葉輪和四長四短復(fù)合葉輪內(nèi)部流動進(jìn)行了數(shù)值模擬,獲得了兩種葉輪在額定工況及非額定工況下的內(nèi)部流場分布并進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示,四長四短葉輪可改善葉輪內(nèi)部流場、提高葉輪吸力面壓力,進(jìn)一步阻止小流量下的脫流現(xiàn)象,有效提高了整個(gè)泵的揚(yáng)程和效率及高效區(qū)。

在工業(yè)生產(chǎn)中,尤其是在使用過大尺寸離心泵的場合,離心泵很難運(yùn)行在最佳狀態(tài),因而提出了泵葉輪削減法來提高離心泵的運(yùn)行性能。通過對1臺離心泵的葉輪進(jìn)行7次削減測試,用實(shí)驗(yàn)的方法總結(jié)了葉輪削減對于離心泵最高效能點(diǎn)的影響。此方法成功解決了因尺寸過大或節(jié)流導(dǎo)致超壓的問題,效果顯著,具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

為了改進(jìn)和完善多級離心泵的性能需求,本文采用cfd(計(jì)算流體力學(xué))方法,建立了包含葉輪、導(dǎo)葉、葉輪前后間隙、密封口環(huán)和平衡孔的三維全流道實(shí)體模型,重點(diǎn)對葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化的分析與研究,比較了不同參數(shù)的葉輪對多級離心泵的性能影響,基于模擬結(jié)果給出了改善低比轉(zhuǎn)速多級離心泵性能的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)建議,該數(shù)值方法的提出和完善可為多級離心泵的水力性能提高提供參考和依據(jù)。

以北趙引黃工程謝村站用多級雙吸式離心泵為研究對象,基于雷諾時(shí)均n-s方程,采用sstk-ω湍流模型,壓力速度耦合使用simplec計(jì)算,對泵內(nèi)部流動進(jìn)行了三維定常全流場湍流數(shù)值模擬,得到不同工況下該泵內(nèi)部流動的速度矢量圖等流場信息.在對其內(nèi)部流動規(guī)律進(jìn)行了定性分析的基礎(chǔ)上,預(yù)測了泵的性能,并與現(xiàn)場測試結(jié)果進(jìn)行了對比分析.分析結(jié)果表明:首級葉輪首級壓水室以及次級葉輪次級壓水室內(nèi)流動較均勻；由于過渡流道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及流動慣性,流體在首級壓水室進(jìn)入過渡流道時(shí),在流道突然擴(kuò)大區(qū)域形成了旋渦,旋渦區(qū)域大小與流量有關(guān)；預(yù)測揚(yáng)程值與現(xiàn)場測試揚(yáng)程吻合較好,預(yù)測揚(yáng)程最大誤差為2.7％,而預(yù)測的流量-水力效率曲線與現(xiàn)場測試流量-機(jī)組效率曲線變化趨勢一致.水泵內(nèi)部流動的數(shù)值模擬可為工程中泵設(shè)計(jì)階段的性能預(yù)測和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù).

采用激光掃描技術(shù)建立寧東供水工程雙吸離心泵三維實(shí)體模型,并采用cfd技術(shù),模擬泵內(nèi)水流流動規(guī)律,確定水泵宜磨蝕部位,并利用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)估其磨蝕深度,為泵站有針對性地開展抗磨蝕工作奠定了基礎(chǔ)。