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      漂浮潛水泵參數(shù)理論優(yōu)化及內(nèi)部流場數(shù)值模擬

      2015-12-06 07:51:06張世富張起欣張冬梅曹振華
      關(guān)鍵詞:潛水泵蝸殼葉輪

      吳 杰,張世富,張起欣,張冬梅,曹振華

      (1.后勤工程學(xué)院 a.軍事供油工程系;b.國家救災(zāi)應(yīng)急裝備工程技術(shù)研究中心,重慶 401311;2.南海艦隊(duì)后勤部軍需物資油料處,廣東湛江 524000)

      漂浮潛水泵是消防機(jī)動供水系統(tǒng)的核心部件,廣泛應(yīng)用于城市應(yīng)急排澇、大型火災(zāi)撲滅、大規(guī)模農(nóng)業(yè)灌溉等取水場合,具有流量大、工作穩(wěn)定性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢[1]。目前,國內(nèi)外關(guān)于漂浮潛水泵的研究主要集中在原理和用途上,關(guān)于參數(shù)優(yōu)選、水力設(shè)計(jì)和內(nèi)部流道數(shù)值模擬等方面的研究成果較少。本文從設(shè)計(jì)理論出發(fā),采用速度系數(shù)法初選漂浮潛水泵參數(shù),結(jié)合無限葉片泵理論揚(yáng)程對漂浮潛水泵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[2],利用Matlab軟件進(jìn)行編程優(yōu)化求解,形成一套完整的優(yōu)化方法;借助Pro/E以及Fluent軟件對漂浮潛水泵內(nèi)部流道進(jìn)行建模和數(shù)值模擬,研究了內(nèi)部流場壓力和速度分布規(guī)律,并分析了流量和轉(zhuǎn)速對葉片受力情況的影響。

      1 漂浮潛水泵參數(shù)理論優(yōu)化

      1.1 速度系數(shù)法初選泵參數(shù)

      速度系數(shù)法計(jì)算公式:

      式中:K0,KD2,Kb2均為速度系數(shù)法參數(shù)初選系數(shù)。根據(jù)已知的漂浮潛水泵任務(wù)流量Q、揚(yáng)程H和轉(zhuǎn)速n,可以求得比轉(zhuǎn)速ns,按照以上公式計(jì)算得到漂浮潛水泵初選參數(shù)值 D0,D2,b2。

      1.2 無限葉片泵理論揚(yáng)程

      普夫萊德爾(Pfleiderer)公式為:

      式中:Pr,ψ為系數(shù);s為葉片軸面投影圖中線對旋轉(zhuǎn)軸的靜矩。結(jié)合水力損失效率的定義公式ηh=,可以求得有限葉片泵的理論揚(yáng)程Ht=,聯(lián)立求解式(6)~(9),可以得到無限葉片泵理論揚(yáng)程:

      1.3 泵葉片進(jìn)出口速度

      葉片出口軸面速度公式為

      式中:ψ2為葉片出口排擠系數(shù);ηv為容積損失效率。葉片進(jìn)口圓周速度u1可由公式計(jì)算得到,葉片進(jìn)口絕對速度的圓周分量vu1由吸水室的形狀決定,也為已知量。由無限葉片泵出口速度三角形得

      將式(11)代入式(12)可以得到 Ht∞=,經(jīng)過整理得到關(guān)于泵出口圓周速度u2的一個一元二次方程:

      由泵的基本方程得

      求解方程(舍去小值)可得

      將求得的 vm2,u1,vu1以及 Ht∞代入式(14),至此葉片出口圓周速度u2精確解即可求得。將其代入公式,得到泵葉輪出口直徑精確解D2C。利用Matlab軟件,采用最小二乘法的原理進(jìn)行編程,選取速度系數(shù)法計(jì)算得到的葉片出口直徑D2為初值,通過循環(huán)計(jì)算將其與精確值D2C進(jìn)行比較,達(dá)到精度e時輸出結(jié)果。

      2 葉輪內(nèi)部流場數(shù)值模擬

      本文使用ANSYS15.0實(shí)現(xiàn)漂浮潛水泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬。按照優(yōu)化的參數(shù),利用Pro/E對漂浮潛水泵內(nèi)部流道進(jìn)行建模,利用Mesh生成單元網(wǎng)格,采用Fluent作為流體計(jì)算仿真分析工具。

      2.1 幾何模型的建立

      根據(jù)漂浮潛水泵參數(shù)理論優(yōu)化的結(jié)果,繪制出泵葉輪葉片的軸面投影圖。利用Pro/E軟件,按照旋轉(zhuǎn)截面的原理繪制出葉片及葉輪??紤]漂浮泵內(nèi)部流道,包括吸入段、葉輪內(nèi)部流道、蝸殼以及排出段,從而確定漂浮泵內(nèi)部流場模型。漂浮泵葉輪實(shí)體模型見圖1,內(nèi)部流場模型見圖2。

      圖1 漂浮泵葉輪實(shí)體模型

      圖2 漂浮泵葉輪內(nèi)部流場模型

      2.2 網(wǎng)格的劃分

      由于漂浮潛水泵內(nèi)部流道比較復(fù)雜,不能采用整體相同尺寸的網(wǎng)格劃分,因此考慮將其進(jìn)行局部加密。按照ANSYS 15.0中自帶的Mesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,進(jìn)口段采用規(guī)則六面體,其余部分采用四面體結(jié)構(gòu)。利用Refinement、Sizing以及Inflation等功能對漂浮潛水泵葉輪葉片處、蝸殼與葉輪接觸等處進(jìn)行局部加密。最終得到的網(wǎng)格如圖3所示,網(wǎng)格數(shù)為168 434,節(jié)點(diǎn)數(shù)為41 781。

      2.3 基本控制方程

      2.3.1 連續(xù)性方程

      式中:ρ為流體的靜壓強(qiáng)(Pa);t為時間(s);u,υ,ω為速度的坐標(biāo)分量(m/s)。

      圖3 內(nèi)部流場網(wǎng)格劃分

      2.3.2 動量方程

      式中:p為流體靜壓強(qiáng)(Pa);τij為應(yīng)力張量的9個分量(Pa),i,j分別可取x,y,z;fx,fy,fz為體積力的3個坐標(biāo)分量(N);D為物質(zhì)導(dǎo)數(shù)。

      2.3.3 能量方程

      式中:cp為比熱容(J/(kg·K);T為溫度(K);,分別為單位面積的熱傳導(dǎo)率在3個坐標(biāo)方向的分量(W/m2);為源項(xiàng)(W/m3)。

      2.4 求解器與參數(shù)設(shè)置

      將整體網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent軟件中,采用基于雷諾平均Navier-Strokes方程的數(shù)值模擬方法[3]。啟動Fluent軟件選擇3D模型,選用k-ε模型中的標(biāo)準(zhǔn)形式,選擇水作為研究介質(zhì),定義葉輪部分流體區(qū)域、葉輪前后蓋板以及葉片表面部分為繞軸旋轉(zhuǎn)(rotational)。定義進(jìn)口區(qū)域?yàn)橘|(zhì)量流量進(jìn)口(mass-flow-inlet),出口區(qū)域?yàn)樽杂沙隽?outflow)。在進(jìn)口段與葉輪交界面、葉輪出口與蝸殼接觸面處設(shè)置網(wǎng)格交界面(mesh interfaces),采用SIMPLEC算法[4],設(shè)置一定的松弛因子,初始化之后進(jìn)行迭代計(jì)算。

      3 數(shù)值模擬結(jié)果

      3.1 壓力及速度分布數(shù)值模擬

      在漂浮潛水泵任務(wù)流量為4 800 L/min,轉(zhuǎn)速為2 900 r/min的條件下,內(nèi)部流場靜壓力分布如圖4所示,內(nèi)部流程速度矢量分布如圖5所示。

      圖4 內(nèi)部流場靜壓力分布

      圖5 內(nèi)部流場速度矢量分布

      漂浮泵內(nèi)部流場壓力分布呈現(xiàn)葉輪進(jìn)口段、葉輪中心壓力較低,葉輪葉片出口處較高的趨勢。隨著蝸殼半徑的增大,壓力逐漸降低,靠近葉輪中心處壓力下降速率大。壓力最大值位于葉輪葉片出口處,約為0.95 MPa;最小值位于葉片背面入口處,約為0.25 MPa。內(nèi)部流體流動速度先由葉輪中心向葉輪邊緣不斷擴(kuò)大,然后隨著蝸殼半徑的增大而不斷減小,最大速度矢量位于葉輪出口邊緣,約為27 m/s,蝸殼出口段速度矢量相對較低。

      3.2 葉片受力數(shù)值模擬

      在額定條件下,葉片背面所受壓力情況如圖6所示,工作面受壓情況如圖7所示。

      分析葉片受壓云圖不難發(fā)現(xiàn):葉片受壓呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)中心低、葉片邊緣高的總體趨勢;壓力最低點(diǎn)位于葉片背面入口處,約為0.25 MPa;壓力最高點(diǎn)位于葉片邊緣末端,其值約為0.63 MPa;相同半徑處葉片背面壓力小于工作面壓力[5],差值范圍約為0.1 ~0.15 MPa。

      圖6 葉片背面靜壓云圖

      圖7 葉片工作面靜壓云圖

      3.3 流量和轉(zhuǎn)速對葉片受力的影響

      為了研究葉片受壓與流量大小之間的關(guān)系,本研究保持轉(zhuǎn)速不變(取額定轉(zhuǎn)速為2 900 r/min),選取9個流量節(jié)點(diǎn)(0.6q~1.4q),記錄下不同流量下葉片所受靜壓力的大小,結(jié)果如表1所示。

      表1 不同流量下葉片正反面受靜壓力情況

      為了更加直觀地觀察不同流量下葉輪葉片工作面與背面受力情況,將表1中的數(shù)據(jù)繪制成圖8。

      圖8 不同流量下葉片受靜壓力情況

      從圖8中可以看出:隨著流量的增大,漂浮潛水泵葉片上的壓力不斷減小,這是由于隨著流量的增大,單位質(zhì)量的流體所獲得的能量不斷減?。?];隨著流量的增大,葉片工作面與背面所受靜壓力的差值變化呈現(xiàn)駝峰趨勢,在流量節(jié)點(diǎn)為1.1q左右差值時達(dá)到最大,約為0.15 MPa。

      為了研究轉(zhuǎn)速對葉片受力情況的影響,本文設(shè)定了9個轉(zhuǎn)速檔次,分別繪制葉輪葉片工作面靜壓曲線、背面靜壓曲線和差值曲線,見圖9~10。

      圖9 不同轉(zhuǎn)速下葉片工作面受靜壓力情況

      圖10 不同轉(zhuǎn)速下葉片背面受靜壓力情況

      圖11 不同轉(zhuǎn)速下葉片受靜壓力差值情況

      由圖9~10可以發(fā)現(xiàn):隨著轉(zhuǎn)速的增大,葉片表面的靜壓力呈現(xiàn)不斷增大的總體趨勢;不同的轉(zhuǎn)速下葉片工作面壓力隨流量的變化率基本保持不變[7];在大流量時轉(zhuǎn)速變化引起葉片背面壓力大小變化較為平緩,相鄰轉(zhuǎn)速節(jié)點(diǎn)之間的壓力浮動不超過7 kPa;隨著轉(zhuǎn)速的增大,差值曲線駝峰極值向大流量方向移動。

      4 結(jié)束語

      通過漂浮潛水泵參數(shù)理論優(yōu)化方法,提高了參數(shù)設(shè)計(jì)的精度。內(nèi)部流場數(shù)值模擬表明:壓力場呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)中心低、葉片邊緣高的規(guī)律,沿蝸殼流道向出口方向不斷增大;速度矢量先沿葉片半徑方向增大,再沿蝸殼半徑擴(kuò)散方向減小;葉片所受壓力的大小隨流量的增大而減小,隨轉(zhuǎn)速的增大而增大。本文的研究工作為下一步改善葉片、流道結(jié)構(gòu),提高泵效率提供了理論依據(jù)和方法指導(dǎo)。

      [1]李登松,宋文武.漂浮式潛水泵的研究與應(yīng)用[J].水泵技術(shù),2013(2):1-3.

      [2]白小榜,沙毅,李金磊.混流泵速度系數(shù)法水力設(shè)計(jì)探討[J].水泵技術(shù),2008(5):11-15.

      [3]裴吉.離心泵瞬態(tài)水力激振流固耦合機(jī)理及流動非定常強(qiáng)度研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2013.

      [4]汪瑋華.軸流泵水力模型內(nèi)部流場數(shù)值模擬及性能分析[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2012.

      [5]康燦,高波,李忠,等.葉片泵的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

      [6]楊寧.葉輪室及輪轂形狀對軸流泵水力性能影響的CFD分析[D].揚(yáng)州:揚(yáng)州大學(xué),2013.

      [7]李少年,那焱青.高壓葉片泵的三種類型葉片受力分析[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006(1):46-49.

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