基于cfd的离心泵固液两相湍流动力学仿真分析

基于cfd的离心泵固液两相湍流动力学仿真分析

作为一种重要的固液体两相流处理厂，它被用作固液体材料的水-土壤传输的重要设备。近年来，随着计算机和cfd（复合函数）技术的快速发展，数值计算是研究液体机械外部特性和内部水流运动规律的重要手段。简单算法（semi-iiiist）是解决流场的一般方法，简单c（简单anova方法）是基于简单算法的改进算法。在分析叶片动力和两相流的性能时，文献讨论了泵的节能运行技术，而文献只分析了叶片矩阵中的流动。笔者利用CFD技术对离心泵全流场(包括吸水管、叶轮和压水室)内的固液两相进行三维湍流数值模拟，以期优化离心泵的设计，提高其性能，从而达到降低能耗，延长离心泵使用寿命的目的．1计算固液两相流体数笔者模拟的单级单吸离心泵参数：额定转速n=1450r/min，额定流量Q=180m3/h，额定扬程H=45m(清水)，泵进口直径130mm，出口直径100mm，叶片4片，叶片包角120°．模拟的固液两相流体主要参数：固相(石英砂粒)密度ρs=2700kg/m3，固相粒径ds=0.2mm，固相体积分数Cv=20%；液相(清水)密度ρ=998kg/m3；两相流体密度ρm=1338kg/m3.2流体动力学模型对于离心泵内的固液两相流动，采用两流体模型，即连续相(液相)运动用欧拉型方程描述，假定分散相(颗粒)为拟流体，其运动也采用欧拉型方程描述．2.1速度分量w离心泵内液相连续性方程：液相动量方程：式(1)和(2)中：ρ为液相密度（kg/m3）;ui、uj(i≠j)为速度分量(m/s)；p为压力(Pa)；μe为等效黏性系数；fi为包含哥氏力和离心力的附加力；i、j为3个坐标方向，i,j=1,2,3.固相连续性方程和动量方程参见文献．2.2计算模型及材料两相流离心泵内的液相采用RNG(renormalizationgroup)k-ε湍流模型．RNGk-ε湍流模型液相湍动能k方程:式中：k为湍动能(m2/s2)；αk为模型系数，αk=1.39;Gk为由平均速度梯度引起的湍动能k产生项；Gp为由两相流引起的湍动能k附加生成项；ε为湍动耗散率(m2/s3)．RNGk-ε湍流模型液相耗散率ε方程：式中：αε为模型系数，αε=1.39;C*1ε为Gk项模型系数；C2ε为ε项模型系数，C2ε=1.68.(2)、(3)、(4)式中的μe、Gk、Gp、C*1ε的计算参见文献．3数值模拟及其结果分析3.1旋转零件仿真模型离心式固液两相流泵由叶轮、压水室、前护板和后护板构成，其中叶轮是旋转零件，其他零件为相对静止零件．根据泵的结构特点，将泵的全流场划分为叶轮流场区域和压水室流场区域，使用三维CAD软件来构造流场区域的三维实体模型，使用网格生成软件GAMBIT来生成泵的计算网格．3.2离心内速度场和压力场计算时泵进口边界采用速度进口条件，出口边界采用流动充分发展条件．在泵过流部件临近壁面处雷诺数低，流动为非充分发展的湍流，因此使用标准壁面函数法模拟壁面附近的流动．笔者使用SIMPLEC算法计算离心泵内速度场和压力场．3.3数值模拟结果分析3.3.1流道生长和压力分布封三图1所示为离心泵叶轮轴向坐标z=0截面上的压强分布．从封三图1可见，叶轮4个流道内压强的分布并不完全一致，具有较明显的非对称性，靠近泵出口的流道出口压强相对其他3个流道出口处的压强小约12%．封三图2所示为叶片正面(压力面)的压强分布．从封三图1和图2可以看出，从流道进口到出口，压强逐渐升高，并且在流道的后半程增加较快．在进口处叶片背面附近形成负压区，压强最低区域位于叶片进口处叶片背面与前盖板的交界处．3.3.2固液两相速度分布的非对称流道速度分布封三图3为叶片正面固液两相速度分布图．封三图4为叶轮后盖板固液两相速度分布图．封三图5为压水室壁面固液两相速度分布图．由封三图3～图5可以看出，固液两相在同一壁面上的速度分布规律基本相同，但固液两相的速度大小不同．从叶片进口到出口的流道中，固液两相的速度都是逐步增加的．封三图4进一步表明，无论是固相还是液相，它们在靠近叶片背面(吸力面)的流道区域的速度值明显大于靠近叶片正面的流道区域的速度值，也显示了叶轮4个流道内速度分布的非对称性，靠近泵出口流道的速度相对其他3个流道要大些．离心泵部分壁面上固液两相的平均速度值见表1．从表1可见，叶片正面和背面、前盖板和后盖板上的固液两相速度差较大(10%以上)，而吸入管和压水室壁面各自的固液两相速度相差不大．3.4设计参数及测试方法按公式(5)和(6)分别计算出离心泵的扬程和效率，从而可以对离心泵的性能进行预测．两相流离心泵入口位置a到泵出口位置b的浆体扬程Hm为：式中：Aa、Ab分别为泵进口、出口面积(m2)；pa、pb分别为泵进口、出口压力(Pa)；va、vb分别为泵进口、出口流速(m/s)；ρm为浆体密度(kg/m3)；g为重力加速度(m/s2)．两相流离心泵水力效率计算公式为：式中：ηh为水力效率；Q为额定流量(m3/h)；M为叶轮转矩(N·m)；ω为叶轮角速度(rad/s)．为了检验泵性能计算值与实测值的吻合程度，在离心泵试验台上进行了性能测试试验．试验中两相流体的固相颗粒选用粒径ds=0.2mm的石英砂粒，固相体积分数Cv=20%；液相为清水．泵转速n=1450r/min，额定流量Q=180m3/h.泵浆体扬程的计算值和实测值分别为42.35、39.67m；效率的计算值和测量值分别为65.6%和63.3%．扬程和效率的计算值与实测值接近，误差小于4%，说明通过流场数值计算来预测泵性能的方法是可行的．4流道压面为受压口的截面规划采用RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC算法对离心泵全流场内的固液两相流动进行了三维数值模拟，从叶轮流道进口到出口，流道沿程压强逐渐升高，并且在流道的后半程增加较快．叶轮轴向截面压强分布非对称性明显，靠近泵出口的流道出口压强相对其他3个流道出口处的压强小约12%．压强最低区域位于叶片进口处叶片背面与前盖板的交界处．固液两相在同