基于k-湍流模型的离心泵空化性能优化研究

基于k-湍流模型的离心泵空化性能优化研究

离心叶片爆炸对叶片性能有重要影响。叶片爆炸的发生通常会影响叶片内流的正常流动，并产生振动、噪声、过流元件腐烂、叶片性能下降等问题。如果叶片严重，也会影响整个系统的正常运行。目前，关于改进叶片筒的空化的研究较少。由于叶片筒内空化的许多因素，现有的研究资料相对分散，对叶片筒设计没有具体的方法。有效提高叶片筒的性能一直难以取得突破，因此需要进行进一步的研究工作。本文以离心式水泵为对象，计算离心式泵的几何参数对叶片筒性能的影响。1叶轮结构的三维造型本文选用的原型离心泵为单级单吸型式离心泵,其中离心泵的设计参数:流量为200m3/h,扬程为20m,转速为1450r/min,比转速为131.87,图1为离心泵流道的三维造型图.该离心泵叶轮结构的主要参数:叶轮进口直径为150mm,叶轮的出口直径为260mm,叶片进口宽度为60mm,叶片出口宽度为33mm,叶片数为6.2计算值的值2.1流体密度方程在运用Fluent软件中,选用Singhal等人研究的完整空蚀模型和混合流体两相流模型模拟离心泵内部的空蚀流动.其连续方程和动量方程为1)连续性方程:混合流体相:式中:ρ为空泡相和水流相形成的混合流体质量密度;v为混合流体的速度矢量.空泡相:式中: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:式中:p为静压力,μ为分子黏性系数,μt为湍流黏性系数.式(2)中混合密度ρ和空泡相质量组分f的关系如下:式中:ρv为空泡相流体的质量密度,ρl为水流相流体的质量密度.2.2pro/e模型建立考虑到网格对离心泵计算结果的影响,运用GAMBIT软件,采用四面体网格(Tgrid)对在Pro/E中生成的几何模型进行网格划分.模型网格生成图如图2和图3所示.2.3速度进口壁面函数采用k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,给定进口处的绝对速度,速度进口是在绝对速度参考坐标系下给定一均匀来流,方向垂直于进口面,出口设置为压力出口.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.3计算与分析3.1叶轮进口直径的影响由数值计算可知离心泵的空化主要发生在叶片进口边附近,空泡产生受到该区域影响,说明离心泵叶轮进口尺寸是影响空化现象发生的主要条件.原型叶轮的进口直径为150mm,现将该尺寸改为155mm和160mm,其他叶轮上的相关参数不变.经过数值模拟后,绘出不同进口直径叶片背面空泡体积分数分布曲线(见图4),3种叶轮的空化余量-扬程曲线(见图5),从模拟结果得到3种叶轮进口直径参数下的性能,见表1.从数值计算的结果可以看出,叶轮进口直径增加后,泵的扬程变化基本保持不变.当叶轮进口直径为155mm时,效率最高,当叶轮进口直径增大到160mm时,虽然扬程增大,但是效率降低.从图4中可以观察到,在吸上高度相同的情况下,对3种不同叶轮进行数值模拟,叶片背面上的空泡体积分数随着进口直径增大,在叶片进口处空泡体积分数减小的幅度较大,在叶片出口处没有显著变化.由图5计算得到进口直径155mm时,空化余量为2.67m;进口直径160mm时,空化余量为2.23m.说明进口直径的增大会降低离心泵的空化余量,同时也可以得出下面一个结论:在离心泵叶轮进口直径增大到一定值时,叶轮进口直径有一最佳值,这个最佳值的存在对离心泵效率的提高和空化余量的降低有着重要的意义.从表1可以看出针对本文选用的离心泵的最佳直径应该为155mm.3.2进口放养角的影响根据研究,空化性能良好的泵的冲角范围一般取Δβ=3°~10°;冲角在此范围内,对泵的效率没有多大的影响,但是却能提高泵的气蚀性能.可以看出保证空化性能与保证最高效率的冲角是一致的.如图6所示,冲角对空化性能的影响较大,当冲角为负值时,泵的空化性能明显变坏,而取较大的正冲角,可减小叶片进口的排挤系数,减少叶片对流道的阻塞程度.所以,采用较大的正冲角是有利的.本文在原有叶片前盖板进口安放角21°的基础上,再增加3°的进口冲角,这样就使叶轮前盖板处的叶片进口安放角增大到24°.重新设计和建立模型,进行数值模拟计算,所采用的计算方法和边界条件与原型离心泵的过程相同.同样绘出不同进口安放角叶片背面空泡体积分数分布曲线(见图7),叶轮的空化余量-扬程曲线(见图8),从模拟结果得到2种叶片进口安放角参数下的性能,见表2.从数值计算的结果可以看出,当增大叶片前盖板的进口冲角后,减小了叶片的弯曲程度,叶片进口的过流面积增大,空化性能得到改善.从图7可以看出,在吸上高度相同的情况下,叶片进口附近的空化性能提升较大.同时,由图8计算得到当前盖板的进口安放角为24°时,空化余量为2.51m,较原型离心泵的空化余量3.06m降低了0.55m;同时在表2中可以比较出,虽然扬程略有下降,效率却得到较大提高.综上分析,采用较大的正冲角是有利的,可以改善叶轮的空化性能,减少叶片对流道的阻塞程度.4轮进口直径的影响1)在改变叶轮进口直径后的数值模拟过程中,发现叶轮进口直径对泵的效率和扬程都有一定影响,叶轮进口直径有一最佳值,这一最佳值对离心泵效率的提高