进口加速泵空化性能的数值模拟

进口加速泵空化性能的数值模拟

泵性能通常包括流量、功率、轴功率、效率和空余率等参数。轴功率可以通过流量、功率和效率等参数来计算。由泵叶片型线方程可知,叶片安放角变化规律对泵性能影响很大,因此研究叶片安放角变化规律对泵性能的改善具有重要意义。通常离心泵设计时叶片进口角取略大于液流角,一般采用正的冲角能减小叶片弯曲,从而增加叶片进口过流面积和减小叶片排挤。近年来,随着CFD技术的迅速发展,数值模拟技术已成为研究泵内部流动规律和预测泵性能的一种重要手段。鉴此,本文以型号DFG150-9离心泵叶轮水力模型为例,采用CFD技术通过添加不同叶片进口冲角并进行模拟分析,研究了叶片进口安放角对离心泵性能的影响,为水泵设计时选取合理叶片进口安放角提供了有益参考。1水流模型和网格的划分(1)叶轮几何参数为获得较好的研究结果,本文选取型号为DFG150-9离心泵叶轮水力模型进行研究。离心泵性能参数为:流量Q=200m3/h、扬程H=32m、空化余量NPSHr=4.5m。叶轮几何参数为:叶轮出口直径D2=322mm、叶轮出口宽度b2=22mm、叶轮进口直径Dj=148mm、叶片数Z=6、进口冲角Δβ1b=0.6°。为全面研究进口安放角对泵性能的影响,本文在原叶片中间流线安放角基础上添加了正负冲角。冲角添加值见表1。(2)网格无关性检验该模型泵过流部件分为吸水室、叶轮和蜗壳三部分。采用三维造型软件Pro/E对泵过流部件计算域进行三维造型。为避免进出口速度梯度较大而影响计算结果,在吸水室进口和蜗壳出口增加延长段。利用网格划分软件AnasysICEM,并采用四面体非结构网格对泵过流部件进行网格划分。对整体区域进行网格无关性检验,当扬程相关性低于0.5%时网格数对计算结果无影响。泵吸水室、叶轮和蜗壳网格数分别为331250、792350、382890个,网格划分结果见图1。2空化两相流动初始值AnsysCFX采用RNGκ-ε模型考虑湍流影响,采用均质多相模型和Rayleigh-Plesset方程考虑空泡生长和溃灭,进而空化模拟。为提高空化计算收敛速度,以未发生空化单相计算结果作为空化两相流动初始值。泵内空化产生通过逐步降低泵进口总压实现,质量流量出口保证泵运行时流量不变。固壁处采用无滑移,近壁区采用Scalable壁面函数。空化计算时设定进口空泡体积初始值为0,水的体积值为1。3叶片螺纹固定角影响着离心部门的性能3.1效率、开口和出口角度的比率3.1.1效率曲线分析6组模型泵效率曲线比较分析泵空化余量计算公式为:NPSH=v2002/(2g)+λw2002/(2g)(1)式中,v0、w0分别为叶片进口稍前处的绝对速度、相对速度;g为重力加速度;λ为叶轮进口压降系数。图2为6组模型泵效率比较曲线(本文所述效率为泵的水力效率)。由图可看出:①模型2、3、4在大流量区域,效率由大到小依次为模型2、3、4,表明在此范围内叶轮所加正冲角越大,大流量区效率越高;小流量区域情况正好相反,表明在此范围内进口所加正冲角越大,小流量区效率越低。其原因在于增加正冲角使叶片进口流道加宽,排挤现象减轻,流道变得较为平缓,降低了进口流速,减小了泵水力损失,同时效率曲线向大流量方向偏移。②模型5、6与模型2、3、4相比效率下降很多;小流量区,模型5效率随流量减小而逐渐靠近所加正冲角模型;大流量区,随流量增加而逐渐远离所加正冲角模型,此种现象在模型6上表现突出,效率最多相差5%。其原因在于添加负冲角使叶片进口流道变窄,排挤现象加重,进口流速增大,水力损失增加,同时效率曲线向小流量方向偏移。当叶轮进出口面积比F出/F进远大于1.3时,叶轮流道扩散严重,易产生漩涡造成效率急剧下降(如模型6)。③模型1效率曲线不再遵循模型2、3、4加正冲角所呈现规律,整条曲线基本在模型2、3、4下方。其原因在于当△β≥20°时,λ急剧上升(图3),由式(1)可得,空化余量增加很快,泵抗空化性能急剧恶化,从而使泵效率下降很大。3.1.2进口放养角对扬程的影响6组模型泵扬程曲线比较分析图4为6组模型泵扬程比较曲线。由图可看出,大流量区加正冲角模型扬程基本重合,随添加负冲角幅度增加,扬程下降越来越大,最大相差1m。小流量区随进口安放角增大,扬程降低。冲角由负变正,扬程曲线由陡峭变平坦。模型1基本遵循上述规律。其原因在于小流量区随进口安放角减小,α1(叶片进口绝对速度与圆周速度的夹角)方向保持不变,则Vm1减小到虚线V′m1,Vu1随之减小到V′u1(图5)。大流量区,由于液体受到叶片排挤,水力损失增加,不但效率下降,扬程也随之下降。泵基本方程为:Ht=(u2Vu2-u1Vu1)/g(2)式中,u1、u2分别为叶片进、出口的圆周速度;Vu1、Vu2分别为叶片进、出口的绝对速度圆周分量。由式(2)可知,泵理论扬程增加。3.2空化性能与进口倾斜角度之比3.2.1小流量区试验与计算为验证空化模拟所得结果的准确性,选取模型4试验所得数据与数值结果进行比较,见图6。由图可看出,小流量区试验值略大于计算值,但相差不明显;大流量区试验值小于计算值,最大误差为6%。误差产生的原因可能是由边界条件设置与实际情况误差、计算误差及泵在铸造和机械加工等因素作用产生的误差所致。3.2.2模型叶片空化NPSH=2.7m时各模型盖板及叶片表面空泡分布为了研究叶片进口安放角对泵空化性能影响,取NPSH=2.7m时各模型盖板及叶片表面空泡分布进行分析,图7为各模型盖板及叶片表面空泡分布。由图可看出,在相同NPSH条件下,随冲角由正变负,空泡在叶轮中逐渐由进口边向流道中部延伸,模型2到3,灰色区域和白色区域面积均增大,模型3到4,灰色区域由一个变为两个,空泡区域变窄;模型4到5,空泡区域变宽,流道中部灰色区域变小;模型5到6,由于负冲角非常大,造成叶轮流道对流体排挤严重,空泡迅速占领流道60%面积,此时空化发生严重,极易造成液体断流,性能下降,产生噪声和振动,使泵运行在恶劣环境下。模型1空泡区域与模型2面积相当,只是分布区域有所不同,说明当正冲角添加到一定程度,泵抗空化性能并非继续增加。3.2.3空化使叶低压区本文仅选取模型4发生空化后流线分布和压力分布与图7中模型4空泡分布进行对比分析,图8为空化对压力和流线分布影响。由图可看出:①空化使叶轮流道出现大小不等低压区,而该低压区恰好处于空泡出现区域后面(图7(d)),该区域很可能是空泡到达高压区溃灭,而液体质点以高速填充空穴而引起压降形成的低压区。②空泡区域和低压区域均无流线通过,若该现象继续加剧,则会出现液体断流等恶劣现象。其他模型情况与之相似,不再一一赘述。3.2.4冲角值对泵抗空化性能的影响NPSHr-Δβ1b曲线图9为各模型在设计工况下得到的NPSHr-Δβ1b曲线。取扬程下降3%时所对应NPSH为泵必需空化余量NPSHr。由图9可看出:①冲角值在-10°～20°范围内,随叶片进口安放角增加,NPSHr先减少后增加;②冲角值在-10°～0°范围内,NPSHr由2.78m变化到2.69m,降幅较大,说明添加负冲角会加速泵抗空化性能恶化;③冲角值在0°～15°范围内,NPSHr变化较为缓慢,由2.69m变化到2.66m,说明添加此范围冲角对泵空化性能影响不明显;当冲角值在15°～20°范围内,NPSHr迅速增加,说明当正冲角添加到一定程度时,不但未提高泵抗空化性能,反而加速其恶化。上述现象