多级离心泵内部流场的cfd数值模拟

多级离心泵内部流场的cfd数值模拟

0流场模拟及优化设计多级离心技术具有高程度和低地面积的优点。目前，它广泛应用于岩石、农业、采矿、能源、海洋淡化等领域。多段式离心的内部流场研究和优化设计对提高效率、安全标准具有参考价值和现实意义。CFD技术在模拟流场和优化设计中得到了越来越广泛的应用。设计人员可以通过CFD技术在计算机上模拟流体机械内部的流场,通过流场反馈的信息,发现设计中的不足,对设计进行修改优化,进而得到水力性能优良的水泵,由于省去了模型制作和试验的环节,这使得水泵设计周期明显缩短,成本大大降低。分析CFD计算的流场,主要判断压力在流场内分布是否均匀,因为压力的分布反映的是叶片上载荷的分配;速度是否合理,流线和线型是否吻合,有没有撞击,有无漩涡,二次回流的大小等因素,因为这些都意味着损失。本文基于雷诺时均N-S方程和扩展的标准k-ε湍流模型,对原型多级离心泵首级的内部流场进行数值模拟,通过反馈的流场信息对原型泵进行优化设计。1原型值的模拟1.1建立网格划分利用Fluent的前处理软件Gambit对多级离心泵首级的叶轮和导叶进行三维造型(主要参数见表1、2、3),然后进行网格划分。计算区域包括叶轮进口延长段,叶轮流道,导叶流道,反导叶流道,出口延长段五部分,由于叶轮是空间扭曲形状,整个流道较复杂,所以采用非结构化四面体网格进行网格划分,叶轮的网格总数为10万左右,导叶的网格总数为40万左右。1.2数值模拟及求解把计算网格导入到FLUENT里,采用三维定常湍流计算,应用连续性方程和三维N-S方程模拟流动,采用标准的k-ε模型,对方程进行封闭,动静耦合采用多重参考坐标系(MRF)模型,选用非耦合隐式分离式求解器,对基本方程的离散离差分项采用下面的格式:速度项、紊动能项、紊黏系数项采用二阶迎风差分格式,压强项采用二阶中心迎风差分格式。迭代过程采用欠松驰因子。1.3出口边界的确定进口边界采用速度进口,流动方向与进口截面垂直。出口边界采用压力出口。与流体相接触的壁面均采用无滑移固壁条件,靠近边壁区采用标准壁面函数。计算过程中考虑重力对流场的影响。2原型设计中的流场分析2.1叶轮内相对速度分布图1、2、3是不同工况下的相对速度分布图,从图上可以看到,大流量工况下,叶片的相对速度方向几乎与叶片型线方向一致。而在小流量工况下,包括设计工况下,相对速度的方向与叶片工作面上都形成了一个夹角,即流动方向不与叶片型线方向一致。从这一分布情况可以推断该设计可能采用了加大流量法对叶轮进行了优化设计。图4显示了叶轮内的相对速度分布图,流线基本与型线吻合,无明显撞击。图5是叶轮进口到出口的压力分布,从图上可以看出从进口到出口压力分布呈线性均匀增加。从以上分析说明原有叶轮型线经过加大流量法进行了优化设计,设计的型线较为合理。2.2主导叶内撞击图6显示了在正导叶的喉部位置,流体与型线有明显的撞击。图7显示了反导叶出口处有明显的漩涡。该径向导叶的设计存在明显的问题,即叶轮与导叶的匹配程度较低,这也是工业生产中常见的问题。3确定参数优化方法孔繁余等指出导叶设计的好坏对离心泵的性能有较大影响,其中,导叶喉部面积对离心泵性能影响重大。决定正导叶喉部面积的3个主要参数(正叶片数、喉部宽度a3、进口轴面宽度b3)共同影响着水泵的性能。文献借鉴面积比原理,提出了离心泵径向导叶正叶片参数的优化设计方法,即利用数学关系式来确定径向导叶正叶片参数,计算公式如下:式中:z为正导叶叶片数;a3为正导叶喉部宽度;b3为导叶进口轴面宽度;δ3为正叶片入口厚度;α3为进口安放角;D2为叶轮外径;b2为叶片出口宽度;ue7882为叶轮出口排挤系数;β2为叶片出口角。图8为正导叶主要设计参数示意图。文献指出导叶式离心泵模型在面积比系数yd=1.71~1.85、叶片数z=5~7时泵性能较好。本文利用原型泵的叶轮与导叶设计参数代入公式(1)、(2)、(3),计算结果如表4。从表4的计算结果可以看出,1号和3号模型的面积比系数均超出了1.71~1.85这个范围,由于面积比系数yd能够综合反映影响导叶喉部面积的主要因素,因此根据表4的计算结果优先选择2号模型为优化设计后的导叶模型,取反导叶的叶片数和正导叶叶片数相等,其他参数不变。4导叶流场分布图9是叶轮正导叶及反导叶的静压力分布,从图9中可以看出,叶轮从进口到出口压力逐渐增加。在螺旋线部分压力沿流动方向基本不变,在扩散段压力逐渐升高。过渡段的压力较扩散段略有降低,在整个过渡段压力基本不变。进入反导叶后,静压值有所降低。整个反导叶部分压力基本不变,反导叶出口部分压力略有降低,这主要是因为出口做了延长处理,过流面积减小,动压变大,静压略有降低。图10为叶轮与正导叶及反导叶的速度分布图,从图10中可以看出,从叶轮进口到出口速度逐渐增大,导叶内的流速逐渐降低,从计算结果看,导叶可以起到很好的收集流体,降低流速的作用。反导叶内的流速几乎不变,在出口处由于作了延长处理,出口速度略有增大,但无明显漩涡。由于叶轮的旋转作用,叶轮与导叶的相对位置在不断变化,叶轮出口流速受圆周方向的影响也在不断变化,致使叶轮的相对流场出现不对称的状态。从图11和图12可以看出,导叶经过优化设计后,在正导叶喉部位置的流线和正导叶型线吻合较好,没有了明显的撞击。反导叶出口处漩涡消失。优化设计后的导叶更适合水流的流动特性。经过性能计算,优化后的模型在设计工况点扬程为26.6m,比原型提高了0.6m,效率46.8%,比原型提高了1.3%。5小流量工况的误差为了验证数值计算结果的有效性,将原型多级离心泵的首级数值计算结果与试验数据作了比较,如图13所示。数值计算的结果在设计工况下与试验数据吻合较好,在大流量工况下,偏差也较小。只有小流量工况下偏差较大。主要是因为小流量工况下存在进口回流以及由此产生的泄漏量及损失没有计算在内,因此误差较大。另外,采用节点数平均法进行性能计算,也会产生误差。从总体上来看,采用数值计算方法来分析流场和预测该多级导叶式离心泵的性能是可行的。优化后的模型因投入较大未作样机。6叶轮改进设计(1)本文利用CFD对多级离心泵进行优化设计,通过对原型离心泵首级流场分析发现:叶轮内部压力分布较均匀,流线与叶片型线基本吻合,特别在大流量时,流线与叶型吻合较好,没有明显的撞击,因此推断该叶轮采用了加大流量法进行了优化设计;但导叶与叶轮的配合程度较低,导叶喉部流体与型线有撞击,反导叶出口有明显的漩涡。通过借鉴面积比原理,对原导叶进行优化设计,重新对修改后的多级离心泵进行全