高比转数离心泵叶轮内空蚀两相流动的数值模拟.doc

1、高比转数离心泵叶轮内空蚀两相流动的数值模拟 第34卷第5期2008年10月兰州理工大学学报 JournalofLanzhouUniversityofTechnologyVol.34No.5 Oct.2008 文章编号:167325196(2008)0520060204 刘宜,惠伟安,赵希枫,韩伟 (兰州理工大学流体动力与控制学院,甘肃兰州730050) 摘要:为了研究高比转数离心泵内部的空蚀流动,177的离心泵全流道内空蚀流动进行定常数值模拟.根据计算结果,揭示叶轮内空蚀两相流场的内在特征,基本一致. 关键词:高比转数离心泵;空蚀流动;中图分类号:TH311:oftwo2phasecavita

2、tionflowinimpellerof centrifugalpumpswithhighspecificspeed LIUYi,HUIWei2an,ZHAOXi2feng,HANWei (CollegeofFluidPowerandControl,LanzhouUniv.ofTech.,Lanzhou730050,China) Abstract:Inordertoinvestigateintothecavitatingflowincentrifugalpumpswithhighspecificspeed, numericalsimulationofstationarycavitationtu

3、rbulentflowinthewholeflowpassageofacentrifugalpumpwithspecificspeedas177wascarriedoutbyusingafullcavitationmodelandamixedtwo2phaseflowmodel.Themajorflowfeatureofliquidphaseandcavityphasewasanalyzedonthebasisofcalcula2tionresult,andthedistributionofstaticpressureonbladewasalsoanalyzedintheprocessofca

4、vitation.Theintrinsiccharacteristicsofcavitationandtwo2phaseflowinimpellerwasrevealedandtheresultsofsimulationwerebasicallyinconsistencewiththatofactualcentrifugalpumpinconnectionwithitseffectanddamage. Keywords:centrifugalpumpwithhighspecificspeed;cavitationflow;impeller;two2phaseflow;numer2 icalsi

5、mulation 泵叶轮内发生空蚀时液体的能量交换受到干扰和破坏,泵的运行特性将发生改变,引起振动和噪声等一系列问题,严重时会使泵中液流中断,不能工作.因此,离心泵内部空蚀流动的研究对它的安全、稳定、高效运行具有重要意义1.空蚀流动的本质是气液两相流动,气泡和水体之间有着很复杂的动量和能量交换关系2.近年来,随着计算机和计算流体动力学的迅速发展,CFD技术成为预测离心泵内部空蚀流动和结构优化的重要手段35. 本文以比转数为ns=177的离心泵为研究对象,建立完整空化模型和混合流体两相流模型对该 收稿日期:2007212203 作者简介:刘宜(19552),男,甘肃兰州人,高级工程师. 湍流模型

6、进泵全流道内的空蚀流动采用RNGk2 行了三维黏性定常数值模拟.根据计算结果,分析了液相和空泡相主要流动特征及叶片表面上的静压分布,进而揭示叶轮内空蚀两相流场的内在特征. 1泵的主要设计参数 离心泵的叶轮外径D2=143mm,叶片数Z=6,转速n=2900r/min,设计流量qV=90m3/h,扬 程H=20m,效率=78%,允许吸上真空度Hs=5m. 2泵的三维模型 根据泵的有关设计参数,利用Pro/E三维软件对离心泵进行造型设计.图1为离心泵全流道的三 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All r

7、ights reserved. ?61?第5期 刘宜等:高比转数离心泵叶轮内空蚀两相流动数值模拟 维造型图 .空泡动力学、湍流压力脉动和流体中含有的不凝结性气体的影响.混合流体两相流模型是一种简化的多相流模型,它用于模拟各相有不同速度的多相流;但是假定了在较小空间尺度上局部的平衡,并且相之间是强烈耦合的.在这里认为空泡相与液体相的时均速度相等,空泡相的扩散相当于水流相的扩散 (扩散平衡),把空泡相和水流相作为统一的整体加以研究7.这样,述.,图1离心泵全流道三维造型图 Fig.13Dmodelingdiagramofflowpassageofpump 2,8模型9使上述空蚀流动RNGk2 方程

8、组封闭,利用有限体积法将控制方程组离散为代数方程组.其中,对流项采用二阶迎风格式,扩散 项采用二阶中心差分格式.湍流模型中的k和方程在形式上与单相流相同,但其中的变量均为混合流体的平均量.根据离心泵的实际运行情况,计算中的物理参数取水温为20时的值.其中空化压力pv=2367.8Pa,水中空泡表面张力=0.0717N/m.假定水中不凝结性气体的质量组分fg=1.510-5(为FLUENT软件中默认值);湍动能k和湍 31)连续性方程:混合流体相: (1)+?(v)=0t 为空泡相和水流相形成的混合流体质量密式中: 度;v为混合流体的速度矢量. 空泡相 ()(2)f+?(fv)=Re-Rct 式

9、中:f为空泡相的质量组分;Re为水蒸气的生成率;Rc为水蒸气的凝结率. 2)动量方程 2 +?(v)=-?p+t ?(+v+t)?3 (3)?(+v+gt)? 式中:p为静压力;为分子黏性系数;t为湍流黏性系数. 式(2)中混合密度和空泡相质量组分f的关系如下: (4)=+vl 式中:v为空泡相流体的质量密度;l为水流相流体的质量密度. 动能耗散率由经验公式确定: k= (2 ?urcfTi)2 3/4 (5)(6) =C 2/3 l 式中:?urcf为进口处的平均速度;L为特征长度,L=0.5D;D为等效管径;l=0.07L. 本计算将离心泵的进口到蜗壳出口的全流道(见图1)作为计算的求解域

10、.4.2网格划分 利用FLUENT前处理软件Gambit来划分网格,采用非结构化四面体单元,将离心泵全流道划分为单元数为420748个计算网格,其中叶轮部分的网格单元数为208246个.检查结果表明,网格质量良好. 5边界条件设定 5.1进口边界条件 4数值计算方法 4.1计算方法 给定进口处的绝对速度,具体数值由泵的设计工况求出(v=4.31m/s).压力在进口截面上设为均匀分布. 5.2出口边界条件 在Fluent6.1商用软件中选用Singhal6等人 发展的完全空化模型和混合流体两相流模型模拟泵内部的空蚀流动.该模型考虑了空化流动中的相变、 出口处设置为压力出口,并为提高空蚀计算的收敛

11、速度和计算的稳定性,先用单相定常流动的计 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ?62? 兰州理工大学学报 第34卷 算结果作为空蚀流动的初始流场进行计算.5.3固壁边界条件 轮出口流动,由于压力快速升高,在压力的作用下,气泡发生收缩和溃灭,造成对叶片金属表面的冲击 破坏 . 近壁区域采用壁面函数处理,固壁上速度满足无滑移条件,压力取为第二类边界条件.5.4气泡相边界条件 空泡相进口速度取第一类边界条件,出口速度取第二类边界条件,在壁面上空泡速度沿法向梯度为零,空

12、蚀计算初始流场的空泡体积组分赋为0. 此外,叶轮在稳定运行状态下,以恒定的转速旋转;即在与叶轮同步旋转且z轴与叶轮轴线重合的贴体坐标系(x,y,z)下,叶片绕z旋转.在这种情况下通过SIMPLEC和压力之间的耦合. 66.1压力分布 根据前后盖板的静压分布由图2和图3可以看出,在叶轮内,从进口到出口,静压先降低到某一最低负值后,随着液流的前进,静压又逐渐升高,在叶轮的出口处达到最高值 . (a)吸力面(b)压力面 图4叶片吸力面和压力面的静压分布(kPa)Fig.4Staticpressuredistributionofbackandfront surfacesofblade(kPa) 由图5

13、叶片吸力面和压力面不同位置的静压分布曲线可以看出,在液流沿叶片流动方向上,从进口到出口,叶片吸力面的静压均低于叶片压力面的静压,在叶片的进口处,叶片的吸力面的静压先降低后升高,这与泵易发生空蚀的区域相符 . 图2前盖板的静压分布 Fig.2Staticpressuredistributiononfront shroud 图5叶片吸力面和压力面不同位置的静压分布曲线 Fig.5Staticpressurecurveofbackandfrontsurfaces ofblade 6.2两相流分布 根据图6液相体积分数分布可以看出,液相所 图3后盖板的静压分布 Fig.3Staticpressured

14、istributiononbackshroud 叶片吸力面和压力面的静压分布如图4所示.由于叶片进口角的影响,静压的最低点位于距叶片 进口一定距离的吸力面上,这一小块区域正是通常发生空化的区域.在该区域产生气泡,然后气泡向叶 占的体积分数受叶片长度的影响较大.在叶片的进口处吸力面附近区域,液相占的体积分数很小,得到的是离散点;而在叶片的压力面上液相体积分数大于吸力面体积分数,呈连续分布.这是由于吸力面的压力远低于压力面的压力,吸力面附近的液流内气体析出和液相汽化所致.在离进口较远的区域,叶片吸力面液相体积分数分布所占的比例接近叶片压力 ? 1994-2010 China Academic Jo

15、urnal Electronic Publishing House. All rights reserved. ?63?第5期 刘宜等:高比转数离心泵叶轮内空蚀两相流动数值模拟 面体积分数的分布比例,说明气泡沿叶片逐渐溃灭,表明此时液体已接近连续分布 . 7结论 采用CFD技术与两相流的基本理论相结合,运 用Fluent软件,对高比转数离心泵叶轮进行空蚀两相流三维定常湍流数值模拟,根据模拟的结果可获得离心泵流道内部流场分布,据此可预测流道内空蚀发生的部位和程度.本文预测得到的空蚀现象与致,. : 1关醒凡.泵的理论与设计M.北京:机械工业出版社,1987.2郭烈锦.两相与多相流动力学M.西安:

16、西安交通大学出版 图6叶片吸力面和压力面液相体积分数的分布 Fig.6Liquidvolumefractiononbackandofblade 由图7气泡相所 一区域.,气泡相体积分数达到最大值.这是由于该区域内压力最低,液流内气体析出和液相汽化所致.而在沿叶片向出口方向,随着与进口处距离的增加,压力也逐渐升高,气泡相体积分数突然急剧降低,直到与压力面气泡相体积分数相近.这也表明了为什么空蚀一般发生在叶片的吸力面上,而在压力面上一般不发生空蚀的原因所在 . 社,1995. 3弗?亚?卡列林.离心泵和轴流泵中的汽蚀现象M.吴达 人,文培仁译.北京:机械工业出版社,1985. 4李龙,王泽,徐峰.离心泵叶轮内变工况三维湍流数值模 拟J.农业机械学报,2004,35(6):72274. 5朱荣生,付强,李维斌.低比转速离心泵叶轮内汽蚀两相流三 维数值模拟J.农业机械学报,2006,37(5):75279. 6SINGHALAK,ATHAVALEMM,LIHY,etal.Mathemat2 icalbasisandvalidationofthefullcavitationmodelJ.ASME,JofFluidsEng,2002,124(9):6172624. 7陈庆光,吴墒峰.轴流式水轮机内部空化流动的数值模拟J. 工程热物理学报,2006,27(5):7692771.