基于單流道和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的濕式潛水泵數(shù)值模擬

李　松,　蔡　翔,　朱路飛,　周邵萍

(華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200237)

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基于單流道和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的濕式潛水泵數(shù)值模擬

李松,蔡翔,朱路飛,周邵萍

(華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200237)

采用流場模擬軟件ANSYS-CFX對(duì)BQ1100-425型濕式潛水泵進(jìn)行數(shù)值模擬,在完成網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,分別研究了全流道與單流道模型,結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型的數(shù)值模擬結(jié)果,如壓力、速度等內(nèi)流場和揚(yáng)程、效率等外特性。結(jié)果表明:全流道數(shù)值模擬相比于單流道能更準(zhǔn)確地反映真實(shí)流場的流動(dòng)情況,但計(jì)算時(shí)間較長,計(jì)算效率低。單流道數(shù)值模擬在一定范圍內(nèi)能較好地反映真實(shí)流場的運(yùn)行情況,且計(jì)算時(shí)間較短。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格都能準(zhǔn)確反映實(shí)際流場的運(yùn)行變化情況,但結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計(jì)算準(zhǔn)確性更高,計(jì)算時(shí)間短,效率高。鑒于濕式潛水泵結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,基于單流道結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的數(shù)值模擬方法能有效地模擬內(nèi)流場并進(jìn)行揚(yáng)程、效率等性能預(yù)測。

離心泵; 全流道; 單流道; 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格; 非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬作為對(duì)泵結(jié)構(gòu)性能研究的有效手段得到廣泛應(yīng)用。在數(shù)值模擬過程中,網(wǎng)格是其基礎(chǔ)與載體,其質(zhì)量的好壞對(duì)模擬結(jié)果準(zhǔn)確性有重要影響,不同網(wǎng)格類型對(duì)其計(jì)算結(jié)果影響也較大[1-2]。劉厚林等[3]在節(jié)點(diǎn)數(shù)基本相同的條件下,對(duì)同一臺(tái)離心泵的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格模型進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果顯示三種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)都能較好地表現(xiàn)實(shí)際的流場運(yùn)行情況,且結(jié)果相差不大。數(shù)值模擬有兩種方式,目前應(yīng)用較為廣泛的是全流道數(shù)值模擬[3-5],其技術(shù)也較成熟,Abdelmadjid等[6]基于VOF空化模型對(duì)泵內(nèi)全流道的三維空化湍流現(xiàn)象進(jìn)行模擬,研究葉輪葉片的進(jìn)口角與離心泵的空化性能的關(guān)系,結(jié)果顯示了動(dòng)靜結(jié)合面對(duì)流體不穩(wěn)定運(yùn)行特性的影響,且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好。另一種數(shù)值模擬方式是單流道模擬,離心泵等旋轉(zhuǎn)機(jī)械由于其流道結(jié)構(gòu)具有周期對(duì)稱性,可采用單流道模型模擬全流道結(jié)構(gòu)并對(duì)其性能進(jìn)行研究。欒享宣等[7]對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)分別進(jìn)行了全流道與單流道的模擬對(duì)比,發(fā)現(xiàn)單流道的數(shù)值模擬也能較好地顯示流場的運(yùn)動(dòng)情況?？偟膩碚f,目前鮮有對(duì)單流道泵方面的研究。由于單流道模型只需要計(jì)算整個(gè)流道的一部分,可以大大提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算速率,工作效率高,因此,研究濕式潛水泵單流道模擬準(zhǔn)確性具有現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

本文以BQ1100-425型濕式潛水泵為研究對(duì)象,在完成建模及網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,對(duì)其數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析研究,分別對(duì)比了全流道與單流道模型,結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型的數(shù)值模擬結(jié)果。

1　幾何建模與網(wǎng)格劃分

1.1計(jì)算模型

本文研究對(duì)象為BQ1100-425型濕式潛水泵,其主要設(shè)計(jì)性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。該泵結(jié)構(gòu)主要由葉輪、吸水室、導(dǎo)葉、過渡體和壓水室等單元組成,其全流道與單流道模型分別見圖1、圖2所示。

表1　計(jì)算模型的主要性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1　濕式潛水泵全流道模型Fig.1　Full passage of the wet submersible pump

1—Pressurized water chamber;2—Front suction chamber;3,4,11—Diffusion tube;5,17—Primary impeller;6,9,13,15—Front guide vane;7,10,12,16—Back guide vane;8,14—Secondary impeller;18—Back suction chamber

圖2濕式潛水泵單流道模型

Fig.2Signal passage of the wet submersible pump

1.2網(wǎng)格劃分與無關(guān)性驗(yàn)證

數(shù)值模擬計(jì)算運(yùn)行速度與結(jié)果準(zhǔn)確性很大程度上取決于網(wǎng)格質(zhì)量的好壞,為控制網(wǎng)格數(shù)量,通過對(duì)比設(shè)計(jì)工況下不同網(wǎng)格數(shù)模型模擬得到的揚(yáng)程與效率,當(dāng)模擬計(jì)算得到的揚(yáng)程與效率相對(duì)變化不大于2%時(shí),即可以確認(rèn)網(wǎng)格的無關(guān)性,不同網(wǎng)格數(shù)下的模擬結(jié)果見表2。

由表2可以看出,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)不低于3.935×106時(shí),其模擬揚(yáng)程與效率均在誤差可接受范圍內(nèi),所以當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量在4×106左右時(shí)所得到的數(shù)值解基本與網(wǎng)格數(shù)量無關(guān),選取編號(hào)為2的網(wǎng)格是合適的。

1.3湍流模型

SST湍流模型全稱為 Shear Stress Transport,由Menter提出[8],該模型克服了標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型對(duì)自由來流參數(shù)變化敏感的缺點(diǎn),在近壁面附近采用k-ω模型,在遠(yuǎn)離壁面的流場區(qū)域采用k-ε模型; 充分利用了k-ω模型對(duì)逆壓梯度流動(dòng)模擬精度較高和k-ε模型對(duì)湍流初始參數(shù)不敏感的優(yōu)點(diǎn)。SST模型綜合了k-ω模型和k-ε模型的優(yōu)點(diǎn),不僅能夠?qū)Ω鞣N來流進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測,還可以在各種壓力梯度下精確地模擬分離現(xiàn)象,因此本文選用這一模型進(jìn)行流場模擬。

表2　網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果

SST湍流模型方程為

(1)

(2)

其中渦黏性vt的表達(dá)式為

(3)

(4)

(5)

雷諾應(yīng)力表達(dá)式為

(6)

比耗散率的生成項(xiàng)近似表達(dá)式為

(7)

1.4模擬條件設(shè)定

本文所研究的濕式潛水泵含兩個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口,由不同進(jìn)口流入的流體匯流經(jīng)壓水室排出。為了更真實(shí)地反映流場的變化情況,對(duì)葉輪及導(dǎo)葉的進(jìn)、出口角,表面幾何尺寸變化較大的部位進(jìn)行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格加密,并設(shè)置邊界層。

進(jìn)口條件:為使由兩個(gè)進(jìn)口與出口分別計(jì)算的揚(yáng)程相等,采用壓力進(jìn)口邊界條件,壓力值由實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)的大氣壓值與沒入水中的深度共同計(jì)算得到,湍流系數(shù)選擇軟件中的中等密度5%計(jì)算[9]。

出口條件:采用速度出口,假設(shè)其流體均勻排出,且速度方向垂直于出口,速度大小由流量與出口面積計(jì)算得到。

壁面條件:流動(dòng)邊界采用無滑移固壁條件,對(duì)于固壁附近的流體流動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法確定。旋轉(zhuǎn)的葉輪區(qū)域采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,靜止區(qū)域采用靜止坐標(biāo)系,動(dòng)靜區(qū)的交界面采用“interface”設(shè)定,單流道的周期性邊界設(shè)置為軟件中的“Rotational Periodicity”。

2　單流道模擬的可行性研究

2.1流場分析

分別建立濕式泵的全流道與單流道模型,劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,兩種模型在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),采用相同的全局尺寸控制,以及邊界層與區(qū)域加密等處理方式。在設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行數(shù)值模擬,為方便對(duì)比,同時(shí)列出全流道與單流道模型葉輪上的壓力與流線分布,如圖3和圖4所示。

從圖中葉輪上的壓力與流速分布可以看到:總的來說,全流道與單流道模型葉輪上的壓力與流速分布數(shù)值與變化趨勢相同。壓力在葉片邊緣處較大,隨著直徑減小壓力逐漸遞減,葉片尖端處壓力呈現(xiàn)突變現(xiàn)象。流速分布也從外向內(nèi)逐漸遞減,葉片工作面的流速較大,向非工作面呈現(xiàn)遞減趨勢,且在非工作面附近流線呈現(xiàn)紊亂狀態(tài)。但全流道模型葉輪上壓力與流速并不是完全周期對(duì)稱,其中,首級(jí)葉輪邊緣有3處壓力呈現(xiàn)局部較大的三角分布,4個(gè)葉片壓力分布并不完全相同,非工作面上流速分布也有較大區(qū)別,大致呈現(xiàn)流線紊亂逐漸增大的分布現(xiàn)象,首級(jí)葉輪有1處漩渦現(xiàn)象較明顯,次級(jí)葉輪4個(gè)葉片上也有漩渦的趨勢,而單流道模型的首級(jí)葉輪無明顯漩渦現(xiàn)象,次級(jí)葉輪上的漩渦現(xiàn)象也較弱?？梢钥闯?葉輪雖然在結(jié)構(gòu)上具有周期對(duì)稱性,但其內(nèi)部的流場變化情況并不是完全周期對(duì)稱,它會(huì)受到相連區(qū)域之間“溢流”、作用力等影響,具有一定的差異性?？傮w上全流道葉片上壓力與流速分布差異性不大,在葉輪高壓區(qū),全流道與單流道壓力分布趨勢分析結(jié)果對(duì)應(yīng)較好。由此可以看出在單流道模型中流體的分布與全流道有一定區(qū)別,但也能較好地反映實(shí)際流場運(yùn)行情況。

2.2性能分析

圖5、圖6分別示出了全流道與單流道實(shí)驗(yàn)值與模擬值得到的揚(yáng)程與效率性能曲線(點(diǎn)表示5個(gè)工況下的實(shí)驗(yàn)或模擬值,曲線是相應(yīng)的擬合曲線),泵水力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)由合肥恒大泵業(yè)有限公司提供。

圖3　葉輪壓力分布Fig.3　Pressure on the impellers

圖4　葉輪流線分布Fig.4　Streamline on the impellers

圖5　揚(yáng)程對(duì)比Fig.5　Comparison of head-flow curve

圖6　效率對(duì)比Fig.6　Comparison of efficiency-flow curve

由圖5、圖6可以看出,全流道模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)變化趨勢相同,且得到的揚(yáng)程與效率相比于實(shí)驗(yàn)值有少許偏高,這是由于數(shù)值模擬沒有考慮摩擦等實(shí)際損失,與實(shí)際情況相符合。單流道模擬精確性相比于全流道較差,而且模擬值的準(zhǔn)確范圍相對(duì)也較窄。以最佳工況點(diǎn)為中心的一定范圍內(nèi),模擬的準(zhǔn)確性較高,能比較方便地反映流場的變化情況,但偏離最佳工況點(diǎn)較大時(shí)其模擬誤差較大。其原因一是由于流場運(yùn)行時(shí)流體分布狀態(tài)并不是完全周期性對(duì)稱的,不同葉片之間流體存在狀態(tài)也有少許區(qū)別;二是由于相連單流道之間會(huì)產(chǎn)生相互作用,這對(duì)泵的運(yùn)行性能也會(huì)產(chǎn)生一定的影響,因此造成單流道的計(jì)算誤差。

3　結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的模擬性能

本節(jié)以單流道模型為載體對(duì)比結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型對(duì)泵流場模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。在對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分時(shí),采用與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相同的總體尺寸控制值,邊界層等也采用相同處理。濕式潛水泵單流道網(wǎng)格模型如圖7所示。

圖7　濕式潛水泵單流道網(wǎng)格模型Fig.7　Single model of wet submersible pump

3.1結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的無關(guān)性驗(yàn)證

對(duì)比結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型在不同網(wǎng)格數(shù)設(shè)定工況下模擬得到的揚(yáng)程與效率,結(jié)果如表3所示。

表3　網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果

由表3可知,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量分別為3.303×106和4.765×106時(shí),揚(yáng)程與效率的相對(duì)誤差均低于2%,所以當(dāng)網(wǎng)格數(shù)取3.303×106時(shí)是合適的。

3.2性能分析

分別模擬相應(yīng)流量下單流道結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格下實(shí)驗(yàn)值與模擬值的流場情況,得到其外特性性能曲線結(jié)果分別如圖8和圖9所示。

圖8　揚(yáng)程對(duì)比Fig.8　Comparison of head-flow curve

由圖8～圖9可知,單流道的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模擬得到的揚(yáng)程與效率與實(shí)驗(yàn)值很接近,且變化更為均勻,揚(yáng)程與效率平均誤差分別為1.37%與0.54%,非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格也能較好反映實(shí)際流場變化情況,但相比于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格其準(zhǔn)確性較低,揚(yáng)程與效率誤差分別為1.44%與2.72%,可見結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相對(duì)于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,其模擬準(zhǔn)確性要高,但結(jié)果相差不大。

圖9　效率對(duì)比Fig.9　Comparison of efficiency-flow curve

3.3流場分析

對(duì)比設(shè)定工況下結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格葉輪上的壓力與流線分布,結(jié)果如圖10和圖11所示。

由圖10～圖11可以看出,在相同設(shè)定條件下,結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單流道模型模擬得到的葉輪上壓力與流速分布變化趨勢大體上相同。壓力較高區(qū)域都在靠近葉片邊緣與尖角處,由葉片邊緣往內(nèi)逐漸遞減,二者流速數(shù)值相差不大,較大區(qū)域都集中在葉片前端尖角處,工作面往內(nèi)流速分布都較大,且流線分布較均勻,非工作面上流速較小,流線分布都較紊亂。但結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的差異也較明顯。在壓力方面,結(jié)構(gòu)網(wǎng)格兩級(jí)葉輪之間壓力降更大,次級(jí)葉輪壓力值也較非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格大,結(jié)構(gòu)網(wǎng)格壓力分層明顯。在流速方面,結(jié)構(gòu)網(wǎng)格葉片漩渦現(xiàn)象表現(xiàn)明顯,在次級(jí)葉輪上已經(jīng)出現(xiàn)漩渦,且由于漩渦的影響,結(jié)構(gòu)網(wǎng)格最大流速在工作面附近,非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格非工作面附近流線分布較紊亂,但沒有出現(xiàn)明顯的漩渦現(xiàn)象,最大流速則在非工作面尖角處。相比于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸難以控制,網(wǎng)格形狀與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的不同,也使得結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在數(shù)值模擬上存在一定的差異性,結(jié)構(gòu)網(wǎng)格更適用于流體與表面應(yīng)力集中計(jì)算的情況。

圖10　葉輪壓力分布Fig.10　Pressure on the impellers

圖11　葉輪流線分布Fig.11　Streamline on the impellers

4　結(jié)　論

(1) 全流道數(shù)值模擬能準(zhǔn)確反映真實(shí)流場的流動(dòng)情況,不過其計(jì)算域大,所需時(shí)間較長,計(jì)算效率低。單流道數(shù)值模擬在一定范圍內(nèi)能較好地反映真實(shí)流場的流動(dòng)情況,其計(jì)算結(jié)果雖不及全流道精確,但其計(jì)算時(shí)間短。鑒于目前泵結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,單流道數(shù)值模擬方法在工程實(shí)際操作過程中對(duì)預(yù)測流場變化趨勢較為準(zhǔn)確,具有可行性。

(2) 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格都能準(zhǔn)確反映實(shí)際流場的運(yùn)行變化情況,但結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計(jì)算準(zhǔn)確性更高,且在計(jì)算過程中由于網(wǎng)格分布更為規(guī)范,其計(jì)算時(shí)間更短,能有效提高工作效率。鑒于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成比較復(fù)雜,在條件允許情況下,采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究能得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果。

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Numerical Simulation of Wet Submersible Pump Based onthe Single Passage and Structured Grid

LI Song,CAI Xiang,ZHU Lu-fei,ZHOU Shao-ping

(Key Laboratory of Pressurized Systems and Safety,Ministry of Education,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

In this paper,the flow field of the wet submersible pump (BQ1100-425) was simulated by ANSYS-CFX,while the grid independence was validated.The numerical simulation results of full passage,single passage,structured grid and unstructured grid were studied respectively,such as the head,efficiency,the pressure and the streamline on the impellers.The results of full passage were more accurate compared with the signal passage,but its calculation time was longer.The signal passage could reflect the flow field characteristics well and its calculation time was shorter.The simulation results of structured grid and unstructured grid were accurate while the precision of the former was better and its calculation time was shorter.While the structure of the wet submersible pump is complex,it is feasible to study its flow field by the signal passage and structured grid modal.

centrifugal pump; full passage; single passage; structured grid; unstructured grid

1006-3080(2016)04-0580-07

10.14135/j.cnki.1006-3080.2016.04.021

2016-01-28

國家科技支撐計(jì)劃(2013BAF01B01)

李松(1990-),男,湖北孝感人,碩士生,主要從事流體機(jī)械的數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。E-mail:songliecust@163.com

通信聯(lián)系人：周邵萍,E-mail:shpzhou@ecust.edu.cn

TH311

A