扭曲葉片雙吸離心泵內(nèi)部流場三維數(shù)值模擬

采用simple算法、kε-ap模型和混合四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在笛卡爾坐標系中對離心式污水泵內(nèi)部流場進行了數(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)計提供理論參考。

雙吸三元扭曲葉片離心泵具有葉片形狀復(fù)雜與多流道等特征,其三維造型涉及問題較多,在泵的三維造型中具有普遍性。為此,以gambit軟件為設(shè)計平臺,結(jié)合一個具體的雙吸離心泵的造型實例,介紹了雙吸離心泵扭曲葉片葉輪和螺旋形蝸殼等部件三維造型的方法,并給出了創(chuàng)建實體模型的詳細步驟及三維模型圖;此外,還簡要說明了在gambit軟件中建模需要注意的問題。

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)雜外形實體數(shù)據(jù)時比傳統(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,進行計算流體動力學(cfd)分析,用于泵水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

在雙吸離心泵的設(shè)計中,半螺旋形吸入室應(yīng)用極為廣泛。該文運用流場計算軟件fluent,基于reynolds時均方程和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。

本文使用fluent軟件選用多重參考坐標系及標準κ-ε湍流模型,模擬計算具有長短葉片葉輪的離心泵的全三維流場,計算包括吸入管、葉輪、泵殼及出水管在內(nèi)的整個離心泵系統(tǒng)。計算結(jié)果顯示,在葉輪的大部分長短葉片的通道內(nèi),射流區(qū)偏向于葉片背面,尾跡區(qū)則位于葉片工作面出口附近。泵葉輪各通道的流量、流速及壓力等流動參數(shù)的分布表現(xiàn)出明顯的非對稱性,流動參數(shù)的數(shù)值大小與葉輪、泵殼的相對位置密切相關(guān)。本文還將泵性能的預(yù)測值與實測值作了對比以驗證計算結(jié)果。

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)。

利用cfd軟件fluent對1200s56型泵的不同工況作流場計算。計算采用雷諾時均方程和realizable湍流模型,壓力和速度耦合采用simplec算法。得到不同工況下葉輪出口與蝸殼耦合面的靜壓分布,在將徑相力簡化認為葉輪周圍流場對葉輪的徑向作用力的基礎(chǔ)上,提出離心泵徑向力計算的數(shù)學模型,計算出各個工況下葉輪所受的徑向力,其值與試驗值比較接近。而經(jīng)驗公式存在較大誤差,非設(shè)計工況時經(jīng)驗公式計算值偏大,設(shè)計工況時偏小。

利用cfd軟件fluent對多級導(dǎo)葉式清水離心泵的內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬,得出了葉輪及導(dǎo)葉內(nèi)部流道的速度和壓力分布規(guī)律,并發(fā)現(xiàn)了葉輪進口回流,出口的二次流動特征等葉輪內(nèi)部流動的細節(jié),導(dǎo)葉出口區(qū)產(chǎn)生了一個低壓區(qū)等流動特征。然后根據(jù)自編計算軟件利用計算得到的速度場數(shù)據(jù)計算出泵的揚程、功率、效率和流量之間的關(guān)系曲線,并與試驗數(shù)據(jù)進行了比較。結(jié)果表明:在設(shè)計工況附近,預(yù)測值與試驗值吻合較好,在其它工況點,特別是小流量工況點,誤差較大。

選取工業(yè)中常用的df型多級離心泵作為研究對象,數(shù)值計算使用了fluent軟件及其rngk-ε湍流模型和多重參考坐標系,實現(xiàn)了節(jié)段式多級離心泵任意一整級(包括葉輪導(dǎo)葉在內(nèi))的全三維流場的數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示在葉輪出口與導(dǎo)葉入口銜接處,葉輪出流因受到導(dǎo)葉葉片頭部的阻擋干擾,導(dǎo)致局部流體逆葉輪旋轉(zhuǎn)方向運動。液流的靜壓值在正導(dǎo)葉出口附近達到泵級內(nèi)最大值,進入反導(dǎo)葉后因沿程出現(xiàn)的水力損失靜壓值略有降低。計算結(jié)果得到了泵外特性實測值的驗證。

葉片水力模型提供的葉片表面型值點柱坐標不能直接用于ugnx三維造型。在葉片水力模型的基礎(chǔ)上,給出計算葉片表面型值點直角坐標的算法流程,介紹沿軸面截線方向進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中程序化實現(xiàn)葉片的三維實體造型。實際使用結(jié)果表明該方法可以縮短葉片類產(chǎn)品的設(shè)計周期,提高設(shè)計精度。

離心泵是重要的船用機械配套設(shè)備，計算機技術(shù)的發(fā)展和功能強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)測值與試驗值進行比較，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)。

采用大渦模擬方法(les)和滑移網(wǎng)格技術(shù),對雙吸離心泵不同工況下的內(nèi)部三維非定常湍流流場進行了數(shù)值模擬,研究了葉輪區(qū)域流場特性及葉片表面的壓力脈動特性。結(jié)果表明,葉片區(qū)的壓力脈動頻率以葉輪轉(zhuǎn)頻為主,且壓力脈動幅值隨著偏離設(shè)計工況程度的增大而顯著增加,尤其是在小流量工況q/qd=0.62下,壓力脈動變化幅度最大,約為最優(yōu)工況的3倍;設(shè)計工況下,葉片頭部區(qū)域壓力脈動幅值最大,約為靜壓均值的14%,分別比葉片正面中心處大86%,比葉片背面中心處大169%。

為了解多級離心泵首級葉輪內(nèi)部流動特性,基于n-s方程和標準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,進一步阻止小流量下的脫流現(xiàn)象,有效提高了整個泵的揚程和效率及高效區(qū)。

針對同一葉輪配不同導(dǎo)流器,通過試驗分析,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與模擬試驗結(jié)果進行了比較,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)葉片進口沖角和壁角等方法可提高潛水泵的效率。

以雙吸離心泵為研究對象,在fluent軟件中采用標準k-ε模型、rngk-ε模型、realizablek-ε模型和雷諾應(yīng)力模型4種湍流模型在相同網(wǎng)格條件下進行三維、穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,計算其在不同工況下的揚程及水力效率;然后以rngk-ε模型計算結(jié)果作為初值,用大渦模擬方法進行三維、非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,計算葉輪旋轉(zhuǎn)一周的平均揚程及平均水力效率,與真機數(shù)據(jù)進行對比分析。計算結(jié)果表明:fluent軟件在穩(wěn)態(tài)計算的情況下,所采用4種模型均能夠?qū)﹄p吸離心泵進行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,且模擬的精度有差別,但總體與模型試驗結(jié)果誤差較大。使用穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果作為初值,用大渦模擬方法進行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬可以得到更為精確的結(jié)果,但大大增加了計算工作量。

026.基于FLUENT的離心風機內(nèi)部流場三維數(shù)值模擬及節(jié)能改造研究

以hd400-160×2型石油化工流程泵首級雙吸式葉輪的設(shè)計參數(shù)為依據(jù),建立標準k-ε湍流模型,并通過simpl算法進行速度壓力耦合對葉輪內(nèi)部流場進行數(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,獲得了與實際情況相符的流動細節(jié),由此可以對雙吸式葉輪內(nèi)的流場有定性的認識。

本文對空氣在百葉窗翅片內(nèi)部流動和傳熱建立了三維數(shù)值計算模型。計算結(jié)果與文獻所提供的實驗數(shù)據(jù)進行了對比,在整個計算范圍內(nèi),re=0-1500,j和f的平均偏差分別為1.96%和10.5%。在深入揭示百葉窗翅片流動機理的基礎(chǔ)上,進一步比較了百葉窗翅片開窗角度la和換向區(qū)長度s對其傳熱和流動阻力的影響,分析結(jié)果為百葉窗翅片的模具制作及其優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

利用fluent軟件,以三維時均n-s方程和標準兩方程湍流模型為基礎(chǔ),采用simple算法,對離心式通風機內(nèi)部整機流場進行了三維數(shù)值模擬并分析了其內(nèi)部流動特征。數(shù)值模擬結(jié)果顯示,離心式通風機內(nèi)部流場存在著明顯的不對稱性,各個葉輪流道的壓力和速度分布并不相同。最后利用五孔探針流場測試系統(tǒng)試驗臺,使用mgs通風機實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實驗驗證模擬流場的準確性,并通過改變風機的出口尺寸,對整體風機的性能分析,為離心式通風機的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

應(yīng)用商業(yè)軟件fluent6.2對600mw超臨界汽輪機組的調(diào)節(jié)閥流場進行了全三維流動分析。利用ug實體建模軟件對調(diào)節(jié)閥進行三維成型,通過gambit網(wǎng)格劃分軟件對區(qū)域進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。在三維數(shù)值計算中,模擬分析了調(diào)節(jié)閥在100%、50%和30%三個工況開度下的流場特性。計算結(jié)果表明,由閥碟與閥座組成的環(huán)型通道是決定調(diào)節(jié)閥的主控通流能力、流場特性和穩(wěn)定性三項氣動性能的關(guān)鍵部位。文中所研究的調(diào)節(jié)閥的閥碟采用了內(nèi)凹型設(shè)計,汽流自喉部噴射后,迅速脫離閥碟,并在閥座的曲線收斂段形成附著流,避免了流經(jīng)閥碟表面的周向流體的過早摻混帶來的能量損失。閥碟獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計使得調(diào)節(jié)閥在各種工況開度下有著較穩(wěn)定的流動狀態(tài)。

利用標準k-ε雙方程湍流模型,采用vof法追蹤自由水面,應(yīng)用瞬態(tài)piso算法求解壓力速度耦合的方法,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并在溢流壩頂進行網(wǎng)格加密,模擬計算了七孔溢洪道流場的三維水力特性,得到了設(shè)計工況的泄流能力、水面曲線、速度場。通過物理模型試驗驗證,兩者結(jié)果吻合較好。

運用cfx流動軟件的滑移網(wǎng)格和標準的k-ε湍流模型對工業(yè)中常用的dl型多級沖壓離心泵整級進行了全三維瞬態(tài)流場的數(shù)值模擬,分析泵內(nèi)葉輪與導(dǎo)葉間的動靜干擾問題?；凭W(wǎng)格分別設(shè)置在多級離心泵葉輪出口、固定導(dǎo)葉入口與泵內(nèi)流體之間的交互界面,對每個時間步求解流動方程。在任一個葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi),分析葉輪入口和出口的總壓值出現(xiàn)脈動信號頻率與葉輪葉片數(shù)的關(guān)系。分析了葉輪入口和出口處總壓波動的幅度。該三維非穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果為多級沖壓離心泵的水力優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。