基于Fluent的AY型離心油泵葉輪內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬*

魏佳廣，張智宇，邵亮亮，楊 成，趙福臣，劉立國(guó)，王 強(qiáng)

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452;2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司 遼陽(yáng)石化分公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003;3.海洋石油工程(珠海)有限公司，珠海 廣東 519050;4.中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154102;5.中航黎明錦西化工機(jī)械(集團(tuán))有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)研究院，遼寧 葫蘆島 125001)

1 引言

離心泵作為石油儲(chǔ)存和運(yùn)輸工程(包括船舶調(diào)載泵等)中的動(dòng)力源，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、操作方便、易于維護(hù)，故在石油行業(yè)占有非常重要的地位。離心泵是煉油廠和化工廠主要的流體輸送設(shè)備，離心泵節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益的提高，對(duì)電能的節(jié)約和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著舉足輕重的推動(dòng)作用，所以如何提高離心泵的實(shí)際工況點(diǎn)效率是各科研院校和設(shè)計(jì)院的研究重點(diǎn)。

筆者通過(guò)對(duì)離心泵葉輪工作過(guò)程和結(jié)構(gòu)的分析，考慮整個(gè)葉輪為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，建立葉輪單個(gè)葉道的簡(jiǎn)化模型和葉輪整體的三維模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。利用Fluent軟件進(jìn)行流動(dòng)分析，對(duì)離心泵葉輪模型內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，初步分析離心泵葉輪的速度及壓力分布，獲得離心泵葉輪流道的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)，且充分了解葉輪內(nèi)部復(fù)雜的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，為深入了解離心泵內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律提供了理論依據(jù)［1］。

2 流體流動(dòng)基本控制方程及定界條件

2.1 連續(xù)方程

連續(xù)性方程描述了流體流動(dòng)過(guò)程中流體質(zhì)量守恒的性質(zhì)。直角坐標(biāo)系下的連續(xù)性方程表示為［2］:

2.2 湍流模型［3］

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動(dòng)能k和耗散率ε方程如下所示:

式中:Gk為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生;Gb為由于浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生;YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響;μt為湍流粘性系數(shù)，μt=ρCμ(k2/ε)。

在Fluent中，作為默認(rèn)值常數(shù)，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，湍動(dòng)能k與耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)分別為σk=1.0，σε=1.3。

2.3 定界條件

為確定控制方程的解還需給出定解條件。流場(chǎng)計(jì)算所需要的邊界條件主要有:

(1)進(jìn)口邊界:一般要求給出葉輪進(jìn)口的速度、壓力、密度或相應(yīng)的相容條件。在此給出進(jìn)口速度，壓力在進(jìn)口截面假設(shè)均勻分布。

(2)出口邊界:一般取充分發(fā)展的庫(kù)塔(Kutta)條件或由上游的速度推算而得。

(3)固壁邊界:對(duì)于考慮粘性的控制方程，固壁上流體質(zhì)點(diǎn)滿足無(wú)滑移條件，即令壁面速度W=0。固壁為絕熱條件，葉輪為轉(zhuǎn)動(dòng)邊界，順時(shí)針?lè)较?，轉(zhuǎn)速為2 950 r/min，在臨近固壁的區(qū)域采用了壁面函數(shù)，葉片表面、前后蓋板等固壁均為無(wú)滑移、絕熱壁面條件。

(4)周期性邊界:即葉片的壓力面與吸液面的速度、壓力相等、液流角相等［4］。

3 葉輪建模

本研究的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1所列。葉片數(shù)為4片的離心泵進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，將得到圖1～2的軸面投影圖及模型截線圖［5］。

表1 離心泵葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)

利用Pro/E軟件繪制葉片三維立體圖，葉片模型如圖1所示。扭曲葉片建好后，即可進(jìn)行葉輪實(shí)體造型，將葉輪分為前蓋板(圖3所示)、后蓋板(圖4所示)和葉片3個(gè)部分，畫出3個(gè)部分實(shí)體后，利用Pro/E中的裝配功能對(duì)三維葉輪進(jìn)行組裝。圖5為帶有前后蓋板的葉輪模型，利用葉輪三維實(shí)體模型［6］，可進(jìn)行流場(chǎng)的數(shù)值模擬等。

圖1 葉片模型裁剪圖

圖2 葉片三視圖

圖3 葉輪上蓋板

圖4 葉輪下蓋板

圖5 葉輪三視圖

4 葉輪流道網(wǎng)格建模

由于葉輪按照4個(gè)葉片設(shè)計(jì)，即葉輪有4個(gè)流道，葉輪［7］是軸對(duì)稱分布，可節(jié)約建模時(shí)間、流道網(wǎng)格劃分時(shí)間以及流道數(shù)值模擬時(shí)間。能只對(duì)其中一個(gè)流道進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，以及最終進(jìn)行流體數(shù)值模擬，希望這種方法能夠在離心泵葉輪設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，流道模型如圖6、7所示。

圖6 葉輪單流道三維實(shí)體

圖7 葉輪流道三維實(shí)體

筆者運(yùn)用了分塊網(wǎng)格技術(shù)將離心泵葉輪內(nèi)通道求解區(qū)域劃分成若干較為簡(jiǎn)單的塊，在各塊中分別生成網(wǎng)格。各區(qū)網(wǎng)格可根據(jù)其區(qū)域和流場(chǎng)的特點(diǎn)，靈活選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并安排疏密分布，提高結(jié)構(gòu)格處理復(fù)雜外形的能力，從而降低了網(wǎng)格生成的難度，生成了貼體及與邊界正交的高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。此處采用貼體坐標(biāo)下的有限體積法求解雷諾。

平均N-S方程，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型加壁面函數(shù)法對(duì)離心水泵葉輪內(nèi)部典型工況下的三維紊流流動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值計(jì)算與分析，獲得了合理的流速和壓力分布。

由于流道的形狀比較復(fù)雜，葉輪入口和前后蓋板處流道最窄，葉輪出口和前后蓋板處流道最寬，兩者相差很大。如果選用相同的單元尺寸，當(dāng)單元尺寸過(guò)大計(jì)算結(jié)果會(huì)存在較大誤差，若尺寸過(guò)小，則計(jì)算時(shí)間變得很長(zhǎng)。故不同的面選用不同的單元尺寸，葉輪入口和前后蓋板靠近的區(qū)域，采用的單元尺寸為小值;葉輪出口和前后蓋板處選用較大尺寸的單元。對(duì)拐角區(qū)域進(jìn)行細(xì)化，拐角區(qū)域單元尺寸取小值。通過(guò)對(duì)單元尺寸的控制，從而保證合理的計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間。網(wǎng)格生成質(zhì)量對(duì)計(jì)算精度與穩(wěn)定性影響極大，使用Tet/Hybrid元素和Tgrid類型對(duì)流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了使計(jì)算結(jié)果接近實(shí)際情況，把網(wǎng)格劃分為1 610 787個(gè)單元。網(wǎng)格如圖8、9所示。

圖8 流道壁面網(wǎng)格圖

圖9 壁面網(wǎng)格放大圖

5 葉輪流道數(shù)值模擬

針對(duì)流道內(nèi)速度分布和壓力分布進(jìn)行分析，流量和壓力參數(shù)的設(shè)定取操作工況下的流量和壓力，流體采用常溫水。把Gambit生成的網(wǎng)格導(dǎo)入到Fluent里進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。計(jì)算時(shí)采用三維定常湍流計(jì)算方法。

對(duì)控制方程的離散采用如下格式:動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流擴(kuò)散率系數(shù)項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，壓強(qiáng)項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)格式，壓力速度耦合方法選用SIMPLY算法。

邊界條件:入口設(shè)置velocity inlet設(shè)計(jì)流量下流速為3.015 5 m/s，入口速度垂直入口整個(gè)面，出口設(shè)置為outflow。流道和壁面設(shè)置轉(zhuǎn)速為2 950 r/m，轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较颉Ａ鞯肋B續(xù)性條件設(shè)置為水［8-9］。

流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果:經(jīng)過(guò)825次迭代，計(jì)算收斂，流道內(nèi)流體的速度分布情況如圖10～12所示。

圖10 葉輪單流道速度分布圖

圖11 葉輪流道速度分布圖

圖12 葉輪流道速度矢量圖

從上圖中可看出葉片出口工作面的速度大于葉片背面的速度，葉輪出口工作面和葉片背面之間速度梯度比較平緩，從葉輪入口到出口速度梯度沿半徑逐漸增大，上蓋板的速度大于下蓋板速度。同時(shí)葉片包角減小至90°，適應(yīng)葉輪外徑減小的情況，保證葉片出口處為直葉片，滿足操作工況點(diǎn)的要求，水利損失相對(duì)改進(jìn)前大大減小，整個(gè)流道流體的速度從小到大平穩(wěn)過(guò)渡，沒(méi)有回流和渦流產(chǎn)生，接近理論流體流動(dòng)狀況［10］。

流道內(nèi)流體的壓力分布情況如圖13、14所示。可以看出，葉輪流道入口處壓力在整個(gè)流道中最小，葉片入口的工作面壓力大于背面壓力。該區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)葉輪中的壓力最小處，由于在設(shè)計(jì)過(guò)程中按照高汽蝕設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)葉片入口寬度b值，同時(shí)該泵為正壓吸入，這里就剔除了發(fā)生汽蝕的可能性。工作面的壓力沿流道一直都大于葉片背面的壓力，在工作面的出口處為壓力最高點(diǎn)，出口壓力符合設(shè)計(jì)要求［11］。

圖13 葉輪單流道絕對(duì)壓力分布圖

圖14 葉輪流道絕對(duì)壓力分布圖

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)原型離心泵葉輪通道內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行CFD分析后將會(huì)發(fā)現(xiàn)，在原型離心泵進(jìn)口處具有頭部撞擊，葉片工作面壓力過(guò)大，葉片背面壓力較小，且有環(huán)流出現(xiàn)，說(shuō)明葉輪翼型安放角度不合理。提出了三維紊流數(shù)值分析基礎(chǔ)上的離心泵葉輪參數(shù)優(yōu)化方法。主要有以下幾方面。

(1)改進(jìn)葉片的入口角，使之適應(yīng)來(lái)流條件，達(dá)到進(jìn)口無(wú)撞擊。

(2)改變?nèi)~片型線，也就是調(diào)整葉片不同位置的曲率半徑，使流體通過(guò)流道時(shí)受力變化均勻，流道內(nèi)壓力變化趨勢(shì)更為明顯，葉輪運(yùn)行更加穩(wěn)定。

采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬能準(zhǔn)確地找出發(fā)生水力損失的具體部位并掌握損失的產(chǎn)生機(jī)理，進(jìn)而針對(duì)性的解決此問(wèn)題，并通過(guò)修改設(shè)計(jì)來(lái)完善產(chǎn)品性能，使效率大大提高。說(shuō)明CFD分析技術(shù)已成為流體力學(xué)中最具活力的部分，成為設(shè)計(jì)和優(yōu)化離心泵等流體機(jī)械的重要工具［12］。

［1］ 李龍陳，黎 明.泵優(yōu)化設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.水泵技術(shù)，2003(3):8-11.

［2］ 韓占忠，王 敬，蘭小平.Fluent流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2004.

［3］ 江 帆，黃 鵬.Fluent高級(jí)應(yīng)用與實(shí)例分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［4］ 李 巍，王國(guó)強(qiáng)，劉立軍.離心葉輪內(nèi)三維紊流流動(dòng)數(shù)值模擬［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，34(1):143-147.

［5］ 離心泵設(shè)計(jì)基礎(chǔ)編寫組.離心泵設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1974.

［6］ 李 春，倪建華，蘇 進(jìn).離心泵葉輪葉片三維參數(shù)化造型技術(shù)研究［J］.水泵技術(shù)，2003(2):22-25.

［7］ 宋天民，孫 鐵，謝禹鈞.煉油廠動(dòng)設(shè)備［M］.北京:中國(guó)石化出版社，2006.

［8］ 李文廣.離心泵葉輪內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值解的評(píng)價(jià)［J］.水利學(xué)報(bào)，1999(12):40-44.

［9］ 劉立軍，徐 忠.離心葉輪內(nèi)部三維湍流流場(chǎng)的數(shù)值分析［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，1996，17(3):296-300.

［10］ 錢錫俊，陳 弘.泵和壓縮機(jī)［M］.東營(yíng):石油大學(xué)出版社，2007.

［11］ Naoki Matsushita，Akinori Furukawa，Satoshi Watanabe，et al.Study on Design of Air-water Two-phase Flow Centrifugal Pump Based on Similarity Law［J］.International Journal of Fluid Machinery and Systems，2009，2(2):42-45.

［12］ YUAN Shouqi，NI Yongyan，PAN Zhongyong，et al.Unsteady Turbulent Simulation and Pressure Fluctuation Analysis for Centrifugal Pumps［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2009，22(1):342-346.