基于CFD混流泵内流场数值分析

1、第32卷 第1期2011年2月大连交通大学学报JOURNAL OF DALIAN JIAOTONG UNIVERSITYVo.l32 No.1Feb.2011文章编号:1673 9590(2011)01 0043 04基于CFD混流泵内流场数值分析李宝良,范振兴,霍焰(大连交通大学机械工程学院,辽宁大连116028)摘 要:以混流泵为研究对象,运用CFD软件采用基于非结构网格的SIMPLE算法和标准的k- 湍流模型对混流泵内的流场进行数值模拟.结果表明:运用CFD软件进行数值模拟的结果与试验结果是一致的,说明数值分析的结果是正确可靠的;通过对混流泵内部的流动速度、压力分布等分析揭示了混流泵内部

2、的流动特性,并为混流泵的性能预测、优化设计提供理论依据.关键词:混流泵;性能预测;CFD;湍流文献标识码:A0 引言在现代水泵系统设计中,随着对耐腐蚀、高效率、低噪声、轻量化和运转平稳要求的增加,减少腐蚀破坏和减小振动噪声变得越来越重要.混流泵比转速较高,介于离心泵与轴流泵之间,具有结构简单、使用可靠、效率高等优点,具有广阔的工程应用前景,尤其在制碱业作为冷析循环泵,将得到广泛应用.由于水力机械内部的流动在多数情况1下处于湍流状态,所以研究起来较为困难.近年来,随着计算机及CFD技术的迅速发展,国内外对水泵内部的三维粘性流进行了数值模拟研究,较为详细地分析了水泵流场的流动特性,从而为其性能预测

3、、优化设计提供可靠的、有价值的理论依据.本文应用CFD软件,采用三维定常不可压缩雷诺时均方程、标准的k- 两方程湍流模型,用基于非结构网格SIMPLE算法进行压力与速度的耦合计算,对混流泵内部流场典型的工况进行压力、速度分析,从而预测混流泵流量-扬程曲线和流量-效率曲线,并与实验曲线进行对比,验证分析结果.2 5业冷析循环泵)为研究对象,主要设计参数如下:转速n=580r/min,叶片数z=4,叶轮外径d=623mm,入口直径Din=550mm,出口直径Dout=660mm,入口安放角 1=26 .根据其结构参数及叶片模型图,利用PROE软件,采用由下到上的方式,即由点到线、线到面、面到体的方

4、法对混流泵进行整体造型.其中,叶轮叶片是高度扭曲的空间曲面,如图1所示.图1 叶轮的三维模型图2 流道三维模型流场计算区域采用全流道计算域方法,即泵整体外壳实体减去泵内叶轮以及轴等流体无法穿过部件所得到实体部分,如图2所示.1.2 网格生成计算网格的合理设计和高质量生成是CFD计算的前提条件,同时也是影响CFD计算的关键因素之一.网格质量的好坏直接影响到数值计算的精度,甚至于计算过程的成败11 模型建立及网格划分1.1 混流泵内部流场区域的建立本文以HGAP55-60型号混流泵(用作制碱*收稿日期:.本文采用2010 04 06基金项目:辽宁省自然科学基金资助项目(20082150);大连市技

5、术创新产品计划资助项目(X69731)作者简介:李宝良(1964-),男,教授,硕士,主要从事摩擦学与信息技术、机械优化设计的研究 ll44大连交通大学学报第32卷GAMBIT软件进行网格的划分,并且将混流泵的流体区域分为三个互相连接的部分,即进口区域、叶轮旋转区域、出口区域.其中,整个流道由于其结构较为复杂采用混合网格,并且网格总的质量良好,网格质量的最小值为0.74.具体网格如图3所示,计算单元的总网格数约为126万,其中进口区域单元数约18万、中间旋转区域单元数约为30万,弯管出口区域约77万.在计算域的出口各个速度分量及k和 均取第二类边界条件,即:!=0 (!=u、v、w、k、 )其

6、中n为断面的单位法向矢量.(3)固壁条件采用无滑移的壁面边界条件,即时均速度和脉动速度的各个分量均为零.假设近壁点P位于对流层,则速度up,kp, p的值分别由下列壁面函数所确定:up(C#)+u=ln(Eyp),up=kw/+p1/4(4)(5)(6)%yp(C#kp)C#kpy= p=k%yp+p1/41/23/41/2图3 混流泵计算网格2 控制方程和边界条件2.1 控制方程对于混流泵中不可压缩流体的恒定流动,根据Boussinesq涡粘性假设,连续性方程和动量方程、k方程、 方程写成如下通用形式:( !) ( u!) ( v!) ( w!)+ =+ + +S x y z(1)(7)#其

7、中k=9.81为Karman常数;E=0.42是与表面粗糙度有关的常数;w为壁面剪切力;up是时均速度;%yp是节点p到壁面的距离;#是流体的动力粘度.(4)压力边界条件压力边界取第二类边界条件,即满足Neu mann条件:=0.kp=w3 结果分析本文进行了流场在小流量Q=0.5m/s、中流量Q=0.8m/s、大流量Q=1.0m/s三种不同工况下的流体动力学分析,得到了混流泵内部流场特性,包括压力分布、速度分布等.3.1 压力分析经过数值模拟,分别得出小流量、中流量、大流量工况下,叶片表面的静压分布,如图4、图5所示.从图中可以看出叶片的吸力面和压力面的压力总体上都是随着流量的增加而增加.叶

8、片的表面压力从进口到出口逐渐升高,在对应的位置处,压力面的压力高于吸力面,从而形成叶轮圆周内的压力梯度.由于轮缘处的翼型长度较轮毂处大,故轮缘处叶片对水流做功多,导致叶片压力面上靠近轮缘出口处的压力明显偏高,此外还可以明显看到叶片背面靠近进口轮缘的位置,有明显的低压区,容易发生空蚀,这与实验结果一致.333其中!为通用变量,可以代表u、v、w等求解变量;为广义扩散系数;S为广义源项.式(1)中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项.2.2 边界条件(1)进口边界条件进口边界条件一般分为三种取法,速度、压力和质量进口条件.本文采用速度进口(velocity-inlet),假设进口的速度分量分布均

9、匀,流动方向为垂直进口平面方向.对于进口截面的湍动能k和耗散率 分别由下式计算得到:k=0.05uin =C-3/4#-2(2)(3)0.07L3/2其中uin为进口截面平均流速(m/s);L为水力直径mm;C#为紊流模型的经验常数,约等于0.09.(2)出口边界条件在FLUENT中,采用出流(outflow)边界条件.第1期李宝良,等:基于CFD混流泵内流场数值分析 45(c)Q=1.0m3/s图5 三种工况下叶片压力面静压分布图3.2 速度分析经过数值模拟,分别得出小流量、中流量、大流量工况下,叶片表面的速度分布,如图6所示.由图6(a)、(b)、(c)可以看到叶轮在三种工况下总的流动趋势

10、良好,没有明显的断流、涡流,说明叶片的曲率、安放角较为合理.叶面上的相对速度从叶轮进口到出口在不断地增大,可以看到叶片进口处有小的冲击,同时在轮缘处有局部高46大连交通大学学报第32卷速区,容易产生旋涡,易发生空蚀,这与实际运行时发生气蚀的位置相吻合.3.3 性能曲线预测经过FLUENT的后处理,得到混流泵在各个工况下的性能参数,绘成图7、图8所示的设计工况下流量 扬程计算曲线和流量 效率计算曲线.由图中可以看出,计算效率曲线和计算扬程曲线与实验曲线基本吻合,从而验证了模拟分析的正确性,为混流泵的优化设计提供理论依据.4 结论(1)计算结果与实验结果基本一致,说明运用CFD软件,采用正确的计算

11、方法和湍流模型可以对混流泵的各种特性进行正确的预测;(2)叶片的进口区域附近有小的冲击,说明安放角较为合理,同时叶面上没有显示明显的涡流,说明叶片的设计较为合理;(3)运用FLUENT进行后处理所得到的各种特性云图和矢量图较为准确地揭示了混流泵的相关特性,为混流泵的优化设计提供理论依据.参考文献:1李丽,宋淑娥,江亲瑜,等.高压小流量离心泵流体动力学分析J.润滑与密封,2009,34(3):62 65.LIL,iSONGShu e,JIANGQin yu,eta.lHydrodynamicAnalysisoftheHigh pressureSmall flowCentrifugalPumpJ.

12、LubricationEngineering,2009,34(3):62 65.2张淑佳,李贤华,朱保林,等.k 涡粘湍流模型用于离图7 流量扬程曲线心泵数值模拟的适用性J.机械工程学报,2009,45(4):238 242.3杨军虎,吴俊辉,张人会,等.无过载离心泵内部流场的三维数值模拟J.兰州理工大学学报,2009,35(1):41 45.4张韬,张淑佳,毛鹏展,等.定常多相位方法与非定常方法用于离心泵数值模拟的比较研究J.浙江工业大学学报,2009,37(6):644 652.5WISSINKJG.DNSofseparatinglowReynoldsnumberflowinturbine

13、cascablewithincomingwakesJ.InternationalJournalofHeatandFluidFlow,2003,24(4):626 635.图8 流量 效率曲线NumericalSimulationofInteriorFlowFieldofMixed FlowPumpBasedonCFDLIBao liang,FANZhen xing,HUOYan(SchoolofMechanicalEngineering,DalianJiaotongUniversity,Dalian116028,China)Abstract:Takingmixed flowpumpasaninvestigationsubjec,tastandardk turbulencemodelandSIMPLEalgorithmbasedonunstructuredgridareappliedtosimulatenumericallytheinteriorflowfieldofmixed pumpbysoftwareCFD.Theresultsindicatesthatthenumericalsimulationagreeswiththeexperimentresults,whichrevealsthemaincharacteristicsofthemixed flowp