扭曲葉片雙吸離心泵內部流場三維數(shù)值模擬

采用simple算法、kε-ap模型和混合四面體非結構網(wǎng)格在笛卡爾坐標系中對離心式污水泵內部流場進行了數(shù)值模擬,得出了污水泵內固體顆粒的流動規(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軟件為設計平臺,結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。該技術在用于獲取復雜外形實體數(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,用于泵水力結構的優(yōu)化設計。

在雙吸離心泵的設計中,半螺旋形吸入室應用極為廣泛。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、泵殼及出水管在內的整個離心泵系統(tǒng)。計算結果顯示,在葉輪的大部分長短葉片的通道內,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。本文還將泵性能的預測值與實測值作了對比以驗證計算結果。

采用激光掃描技術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,模擬泵內水流流動規(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。

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,非設計工況時經(jīng)驗公式計算值偏大,設計工況時偏小。

利用cfd軟件fluent對多級導葉式清水離心泵的內部流場進行了數(shù)值模擬,得出了葉輪及導葉內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部流動的細節(jié),導葉出口區(qū)產生了一個低壓區(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系曲線,并與試驗數(shù)據(jù)進行了比較。結果表明:在設計工況附近,預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(包括葉輪導葉在內)的全三維流場的數(shù)值模擬。模擬結果顯示在葉輪出口與導葉入口銜接處,葉輪出流因受到導葉葉片頭部的阻擋干擾,導致局部流體逆葉輪旋轉方向運動。液流的靜壓值在正導葉出口附近達到泵級內最大值,進入反導葉后因沿程出現(xiàn)的水力損失靜壓值略有降低。計算結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)結構,在支撐軟件ugnx中程序化實現(xiàn)葉片的三維實體造型。實際使用結果表明該方法可以縮短葉片類產品的設計周期,提高設計精度。

離心泵是重要的船用機械配套設備，計算機技術的發(fā)展和功能強大的三維制圖軟件為構造具有復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下，結合三維激光掃描儀、相關點云處理軟件和三維cad軟件，精確地構建出離心泵的三維模型。建立泵的三維水力模型，利用cfd方法分析其內部流動現(xiàn)象和規(guī)律。將離心泵性能預測值與試驗值進行比較，結果表明兩者符合的很好，為泵的結構優(yōu)化和性能提升打下了基礎。

采用大渦模擬方法(les)和滑移網(wǎng)格技術,對雙吸離心泵不同工況下的內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。結果表明,葉片區(qū)的壓力脈動頻率以葉輪轉頻為主,且壓力脈動幅值隨著偏離設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合葉輪和四長四短復合葉輪內部流動進行了數(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部流場分布并進行了分析。結果顯示,四長四短葉輪可改善葉輪內部流場、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型潛水泵配兩種導流器為例,通過cfd數(shù)值計算,預測出潛水泵的性能,將解析法求得的潛水泵最佳工況點與模擬試驗結果進行了比較,其結果較為吻合。經(jīng)對兩種導流器內部的速度場和壓力場分析,提出了增加導流器長度、增大導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種模型均能夠對雙吸離心泵進行穩(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果誤差較大。使用穩(wěn)態(tài)計算結果作為初值,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果,但大大增加了計算工作量。

026.基于FLUENT的離心風機內部流場三維數(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的流場有定性的認識。

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,采用simple算法,對離心式通風機內部整機流場進行了三維數(shù)值模擬并分析了其內部流動特征。數(shù)值模擬結果顯示,離心式通風機內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)化設計提供了依據(jù)。

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,分析泵內葉輪與導葉間的動靜干擾問題?；凭W(wǎng)格分別設置在多級離心泵葉輪出口、固定導葉入口與泵內流體之間的交互界面,對每個時間步求解流動方程。在任一個葉輪旋轉周期內,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)模擬結果為多級沖壓離心泵的水力優(yōu)化設計提供了依據(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,基于雷諾時均n-s方程,采用sstk-ω湍流模型,壓力速度耦合使用simplec計算,對泵內部流動進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部流動的速度矢量圖等流場信息.在對其內部流動規(guī)律進行了定性分析的基礎上,預測了泵的性能,并與現(xiàn)場測試結果進行了對比分析.分析結果表明:首級葉輪首級壓水室以及次級葉輪次級壓水室內流動較均勻；由于過渡流道的結構特點以及流動慣性,流體在首級壓水室進入過渡流道時,在流道突然擴大區(qū)域形成了旋渦,旋渦區(qū)域大小與流量有關；預測揚程值與現(xiàn)場測試揚程吻合較好,預測揚程最大誤差為2.7％,而預測的流量-水力效率曲線與現(xiàn)場測試流量-機組效率曲線變化趨勢一致.水泵內部流動的數(shù)值模擬可為工程中泵設計階段的性能預測和結構優(yōu)化提供依據(jù).

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

為了比較定常多相位與非定常計算方法在雙吸離心泵中的應用情況,文章對150s-50雙吸離心泵內部湍流流場進行了模擬計算。數(shù)值模擬采用realizableκ-ε湍流模型,在7種工況下分別用定常多相位和非定常2種方法進行了模擬計算。在數(shù)值模擬的基礎上計算出揚程、軸功率、效率。研究表明:用非定常模擬所得計算結果與試驗值更為接近。圖4表3參10