軸流泵全流道數(shù)值模擬前處理過程分析

施高萍

(浙江水利水電專科學(xué)校,浙江 杭州 310018)

0 引 言

軸流泵由于揚(yáng)程低、流量大,在浙江省大中型泵站中被廣泛使用.按單座泵站統(tǒng)計(jì),浙江省5座大型泵站,45座中型泵站中,軸流泵數(shù)量占水泵總數(shù)的2/3左右,以立式半調(diào)節(jié)為主,型號為ZLB,出水口直徑主要為700 mm、900 mm[1].2009年浙江省啟動了大中型泵站更新改造工作,故對軸流泵內(nèi)部流動的分析與研究就顯得尤為重要.

軸流泵內(nèi)部的真實(shí)流動非常復(fù)雜,在絕大多數(shù)情況下,它是三維非定常湍流,常伴有分離、二次流、汽蝕和葉尖泄露等流動現(xiàn)象.由于實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)備的限制,利用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法不能很好掌握軸流泵內(nèi)部的流動的真實(shí)情況.近年來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,使用Computational Fluid Dynamics(CFD)技術(shù)成為分析軸流泵內(nèi)部流動的一種有效手段.為明確軸流泵內(nèi)部湍流場分布情況,需要對軸流泵進(jìn)行數(shù)值模擬,數(shù)值模擬過程及所需要采用的軟件見圖1[2-3].本文主要闡述在數(shù)值計(jì)算之前所需要做的工作,即全流道的三維造型及網(wǎng)格劃分兩部分內(nèi)容.

圖1 數(shù)值模擬過程

1 軸流泵全流道三維造型

三維實(shí)體模型是水力設(shè)計(jì)和軸流泵CFD之間的橋梁,一方面體現(xiàn)水力設(shè)計(jì)的結(jié)果,另一方面也是CFD研究的基礎(chǔ).軸流泵葉片表面一般是扭曲的,葉片的形狀幾乎決定了整個軸流泵的水力性能.因此,三維實(shí)體造型必須嚴(yán)格依據(jù)水力設(shè)計(jì)的結(jié)果得到,尤其是葉片造型,否則的話,數(shù)值模擬得到的結(jié)果就很難具有說服力.

本文所研究的軸流泵模型是900ZLB-85,該軸流泵的基本參數(shù)為：葉輪直徑：850 mm,葉片數(shù)：4片,導(dǎo)葉數(shù)：7片.泵的設(shè)計(jì)點(diǎn)流量 Q=2 m3/s,揚(yáng)程H=5.4 m,轉(zhuǎn)速 n=485 r/min.

1.1 葉輪的三維造型

1.1.1 葉輪輪轂體造型

葉輪輪轂體一般是軸對稱的回轉(zhuǎn)體,從特征造型的角度來看,屬于隆起特征中的旋轉(zhuǎn)特征.旋轉(zhuǎn)特征是由特征截面繞截面旋轉(zhuǎn)中心線旋轉(zhuǎn)一定的角度而生成的一類特征.該部分建模的關(guān)鍵是特征截面繪制.為保證造型的準(zhǔn)確性,繪制截面時(shí)由AutoCAD直接導(dǎo)入.

1.1.2 葉輪葉片造型

葉片造型是軸流泵葉輪造型的難點(diǎn).一方面它是軸流泵的核心,與泵的揚(yáng)程、流量、抗汽蝕系數(shù)和特性曲線的形狀等有著重要關(guān)系;另一方面,其形狀復(fù)雜,難以進(jìn)行三維精確描述,給設(shè)計(jì)結(jié)果的分析造成了障礙[4].

圖2(a)為葉片正面投影圖,(b)為葉片翼型圖.為了獲得葉片的三維實(shí)體造型,需要將這些翼型圖還原為三維空間曲線,再根據(jù)這些空間曲線混成得到葉片的正背面,同時(shí)生成葉片和輪轂的交界面、葉片的輪緣面,最后由葉片的各個表面圍成葉片實(shí)體.

(1)創(chuàng)建空間曲線：由圖2(a)可得到葉片各個截面的R坐標(biāo)和theta坐標(biāo),由圖2(b)得到葉片V截面工作面和背面的 Z坐標(biāo),其他截面類似,明確坐標(biāo)點(diǎn)后,建立坐標(biāo)點(diǎn)文件.

V截面葉片工作面的點(diǎn)文件為在背面的點(diǎn)文件的Z坐標(biāo)上增加其厚度即可.其它截面都可如V截面一樣做出背面上的點(diǎn)和工作面上的點(diǎn).這樣當(dāng)所有截面都完成后,可由點(diǎn)連成線,形成空間曲線,見圖3(a).

(2)創(chuàng)建葉片工作面和背面：Pro/E中利用“融合”命令,按照從輪轂到輪緣或者完全相反的次序依次選擇特征曲線,生成葉片的工作面和背面,見圖3(b).

(3)創(chuàng)建輪轂面和輪緣面：上述創(chuàng)建的特征曲線所在的柱面的半徑大小都介于輪轂半徑R153和輪緣半徑SR425之間,所得到的葉片是不完整的.利用面的延伸,使葉片的正背面延展,分別得到輪轂面和輪緣面,見圖3(c).

圖2 軸流泵葉輪葉片圖

圖3 葉輪葉片建模過程

(4)得到葉片實(shí)體：將葉片正面、背面、輪緣面和輪轂面進(jìn)行合并,并實(shí)體化,得到葉片實(shí)體模型見圖4.

1.2 導(dǎo)葉體三維造型

導(dǎo)葉體葉片的三維造型過程跟葉輪葉片的三維造型過程一樣,葉輪和導(dǎo)葉的造型結(jié)果見圖4.

圖4 葉輪和導(dǎo)葉的造型結(jié)果

在Pro/E中采用組件裝配環(huán)境,利用元件間的切減命令進(jìn)行流道的三維造型,其造型結(jié)果見圖5.

圖5 900ZLB-85三維造型結(jié)果

2 Gambit網(wǎng)格處理

在進(jìn)行數(shù)值模擬前,須進(jìn)行前處理,即網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格檢查,和邊界定義,在GAMBIT軟件中可完成這部分工作.

2.1 網(wǎng)格劃分

為了使計(jì)算結(jié)果更精確,對整個流道進(jìn)行了模擬,其全流道的網(wǎng)格劃分結(jié)果和計(jì)算區(qū)域結(jié)果見圖6.由于在全流道內(nèi)既有旋轉(zhuǎn)流場,又有非旋轉(zhuǎn)流場,所以把計(jì)算體分為進(jìn)口區(qū)、葉輪區(qū)和導(dǎo)葉區(qū)三個區(qū)域,分別將模型軸流泵進(jìn)口區(qū)、葉輪區(qū)和導(dǎo)葉區(qū)網(wǎng)格導(dǎo)入Gambit軟件,處理后導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算,兩個計(jì)算體之間的耦合采用滑移網(wǎng)格方法,進(jìn)口區(qū)與葉輪區(qū)、葉輪區(qū)和導(dǎo)葉區(qū)都分別用平面混合(mixing plane)來模擬它們之間的干涉.平面混合是將每一個流動區(qū)域都按照穩(wěn)態(tài)問題來解決,在一次迭代間隔里,在交界面上的流動數(shù)據(jù)會被沿周向平均.FLUENT使用周向平均來定義大致的流動特性,通過平面混合,周向平均值在各流動體之間相互傳遞.鑒于葉片表面和導(dǎo)葉表面為不規(guī)則的空間曲面結(jié)構(gòu),因此采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,在計(jì)算體體內(nèi)采用四面體網(wǎng)格,壁面上采用三角形網(wǎng)格.

圖6 網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件設(shè)定

邊界條件的設(shè)置主要給定進(jìn)口、出口、壁面及交界面等邊界條件,設(shè)置見圖6,其中1設(shè)置為進(jìn)口,2設(shè)置為葉輪外流道壁面,3設(shè)置為葉輪葉片,4設(shè)置為導(dǎo)葉葉片,5設(shè)置為導(dǎo)葉體壁面,6設(shè)置為導(dǎo)葉體外壁面及出口壁面,7設(shè)置為出口.

通過以上設(shè)置,經(jīng)過FLUENT軟件計(jì)算分析,全流道運(yùn)動軌跡見圖7,計(jì)算結(jié)果表明模型建立是正確的.

3 結(jié) 語

(1)進(jìn)行了全流道的三維造型.包括葉輪葉片,導(dǎo)葉葉片,以及由葉輪和導(dǎo)葉構(gòu)成的流道的三維全流道的三維造型;

(2)進(jìn)行了全流道的網(wǎng)格劃分和邊界條件的設(shè)置.進(jìn)口采用速度進(jìn)口,出口為壓力出口,導(dǎo)葉體和葉輪為旋轉(zhuǎn)部件,在設(shè)置過程中采用動坐標(biāo)系,進(jìn)口與出口段采用靜坐標(biāo)系;

圖7 全流道運(yùn)動軌跡圖

(3)為數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ).通過以上設(shè)置,成功導(dǎo)出的msh文件可以進(jìn)行數(shù)值模擬.

[1]施高萍,王 鶯,崔梁萍.軸流泵在浙江省大中型泵站中的應(yīng)用及改造建議[J].浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2009,21(4)：19-21.

[2]陸廣林,伍 杰,陳阿萍,等.立式軸流泵裝置的三維湍流流動數(shù)值模擬[J].排灌機(jī)械,2007,25(1)：29-32.

[3]楊軍虎,張煒,王春龍,等.潛水軸流泵全流道三維湍流數(shù)值模擬及性能預(yù)估[J].排灌機(jī)械,2006,24(4)：5-9.

[4]陳 田,殷國甯,舒 斌,等.基于三維特征建模的葉片泵CAD系統(tǒng)研制[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)——CIMS,2001,7(2)：59-64.