双级轴流泵三维流场数值模拟

双级轴流泵三维流场数值模拟

1双级轴流泵模型双级轴流泵可用作吸水器。它的特点是电压缩式滤波器，具有低扬程和高流量。一般来说，在需要稳定工作的情况下，功率大，对速度要求低的情况没有高。其结构由前导流帽,首级转轮和次级转轮,以及后导流帽组成。水流从轴向进入,依次经过首级转轮和次级转轮,流过导叶,从后导流帽处沿轴向出流。所计算的双级轴流泵模型各部件的叶片数分别为:首级叶轮4个,次级叶轮8个,固定导叶9个。这样的叶片数匹配导致其内部流动状态极为复杂,单流道内部流动模拟难以反应其实际流动状态。在此,采用标准k-ε紊流模型和SIMPLEC算法模拟计算双级轴流泵内部从进口到后导流帽出口的360°全流场,给出其速度和压力分布情况。并且,在模拟计算的基础上,对装置的性能进行了预估,给出其流量～效率曲线和流量～扬程曲线。2计算模型和边界条件2.1顿流体的动力学方程假设转轮转速定常,由Boussrnesq涡粘性假设可以得出绝对坐标系下不可压牛顿流体的连续性方程和动量方程。连续性方程:动量方程:其中,ρ为流体密度;xj(j=1,2,3)分别代表x,y和z坐标;ui和uj分别代表绝对速度分量u,v和w;p*为静压;μe为有效粘性系数,它等于分子粘性系数μ和紊动粘性系数μT之和。2.2特定相关系数的取值为了确定有效粘性系数μe,采用标准k-ε紊流模型来封闭方程组,分别定义紊动粘性系数μT,紊流脉动动能k和紊流脉动动能耗散率ε的表达式。紊流模型方程中的其它相关系数取值分别为:cμ=0.09,c1=1.44,c2=1.92,σk=1.0,σε=1.3。在差分格式中,压力项采用二阶中心差分格式,速度项、紊动能项和紊粘系数项均采用二阶迎风差分格式。求解过程中各迭代松弛系数分别为:压力项0.3,速度项0.7,紊动能项和紊粘系数项0.8。2.3均匀入流条件喷水推进器为水平放置,在叶轮和叶轮室之间设置缝隙网格,叶轮转动,而叶轮室外缘不动。进口采用均匀入流条件,在前导流帽前10cm处,为均匀入流面,沿轴向入流,给定轴向速度。出口采用第二类边界条件,速度分量、紊动能kout和耗散率εout的梯度设为零。在临近固壁的区域采用壁面函数,固壁面采用无滑移边界条件。2.4效率预测模型在模拟计算三维紊动流场的基础上,通过计算叶轮进出面的环量差和进出口面的能量差可以得出其轴功和实际水头,进而求出装置的水力效率。3叶轮和固定导叶叶片数的变化双级轴流泵由前导流帽,首级叶轮,次级叶轮,导叶和后导流帽组成,其中首级叶轮、次级叶轮和固定导叶叶片数分别为:4个、8个和9个。转轮直径3250mm,转速1270r/min,流量为310～4301/s。采用非结构化网格,划分计算域的三维立体网格如图1所示;根据其工作条件,从最小流量到最大流量分为9个计算工况,具体见表1。4cfd的计算结果和分析4.1局部高压区进口为轴向入流,前导流帽处水流基本无圆周速度,轴面速度分布均匀,顶端部分由于速度驻点的存在,有一个局部高压区。作为出水部件,后导流帽的主要作用是降低水流的轴面速度,使部分动能转化为压能,以提高效率。最优流量工况下前导流帽轴面速度分布及最小流量工况下后导流帽轴面压力分布分别如图2、3所示。4.2叶内速度分布导叶为固定导叶,安装于次级叶轮之后,水流流过导叶时周向速度分量降低,能回收部分动能。导叶处最小流量工况下柱面速度分布如图4所示。从速度分布来看,导叶降低水流周向速度分量的作用十分明显。4.3级压泵站内动工况动工况分析叶轮是实现能量转换的主要场所,由于两级转轮间的流动相互影响,流动情况相当复杂。首级叶轮最大流量工况下的压力面压力分布及最优流量工况下表面附近的相对速度分布分别如图5、6所示。可以看出,在最大流量工况下,由于头部脱流的影响,压力面的头部出现局部低压。5性能分析通过计算双级轴流泵不同流量工况的扬程和水力效率,得出双级轴流泵的流量～扬程曲线和流量～水力效率曲线分别如图7、8所示。6按工况计算流场通过对双级轴流泵内部流场的计算模拟,并对结果进行分析后得出:流量为0.37m3/S时,双级轴流泵的水力效率最高,为93.2%,当流量为0.313/s时,扬程最大,为8.853m。与实验结果比较,m可以看出:用全流道三维紊流方法计算喷水推进器的内流场,能较好的模拟实际流态,计算各部件之间相互作用,预估性能。双级轴流泵内部的流动状况非常复杂,要考察装置内部的压力脉动情况以及两级叶轮之间流动相干的情况,还需进一步作非定常模拟计算和分析。另外,还可考虑两级转轮不同轴的情况,对两级转轮的载荷分布和结构匹配作一些分析。若