楊溢
摘 ? 要:雙吸離心泵作為通用機(jī)械,具有流量大、揚(yáng)程高、維修方便等特點(diǎn),應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,涉及行業(yè)面廣。隨著迅猛發(fā)展的計算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù),數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)作為一種重要手段來研究流體機(jī)械的內(nèi)部流動規(guī)律以及預(yù)測流體外部性能參數(shù)。本文基于ANSYS FLUENT對某S型雙吸離心泵進(jìn)行分析,從而獲得外部參數(shù)與內(nèi)部流動特征。
關(guān)鍵詞:雙吸離心泵 ?數(shù)值模擬 ?網(wǎng)格劃分
中圖分類號:TP391.77 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號:1674-098X(2019)09(a)-0089-02
隨著雙吸離心泵在國內(nèi)應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣,目前開始重視對雙吸泵的全面深入研究工作。國內(nèi)常用的雙吸離心泵型號有 S型、SH 型、SA型等中開雙吸離心泵[1],較早的雙吸泵產(chǎn)品性能能否滿足市場的高指標(biāo)高要求有待研究。本文正是對某S型雙吸泵模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析,從而得出其性能能否滿足要求。
1 ?雙吸泵實體建模與網(wǎng)格劃分
某S型雙吸離心泵的性能參數(shù)為流量Q=280m3/h,揚(yáng)程H=45m,轉(zhuǎn)速n=2950r/min,效率η=79.0%。根據(jù)水力模型木模圖應(yīng)用SolidWorks軟件,主要采用放樣的方法對葉輪、壓水室、吸水室進(jìn)行三維水體建模。
由于雙吸泵流道的幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜,本文應(yīng)用ANSYS ICEM CFD的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中的四面體單元對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為了液體流動更加平穩(wěn),本文在吸水室的前端和壓水室的后端分別增加進(jìn)出口延長段,主要步驟如下:
(1)創(chuàng)建計算域、Part。本文為5個計算域,對每個計算域劃分3~5個Part,并對每個Part進(jìn)行命名區(qū)分。
(2)設(shè)置網(wǎng)格尺寸并生成網(wǎng)格。既可以設(shè)置模型的整體尺寸,如果需要也可以對Part進(jìn)行加密劃分。
(3)合并網(wǎng)格。依次導(dǎo)入壓水室、葉輪、吸水室、進(jìn)水段、出水段的網(wǎng)格文件,完成合并。
經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性分析,確定網(wǎng)格數(shù)量為130萬個。網(wǎng)格數(shù)量為進(jìn)水段44334、吸水室518853、葉輪402279、壓水室283093、出水段44678。
2 ?雙吸泵內(nèi)部流場與性能參數(shù)分析
2.1 雙吸泵數(shù)值模擬
本文以清水為模擬介質(zhì),選取雷諾平均N-S方法中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。應(yīng)用有限體積法,采用定常、穩(wěn)態(tài)流場進(jìn)行數(shù)值模擬,F(xiàn)luent主要操作步驟如下:
(1)設(shè)置計算模型。選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,對于近壁面的處理選取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。
(2)定義計算域。葉輪為旋轉(zhuǎn)區(qū)域,轉(zhuǎn)速為2950 rpm,由模型確定旋轉(zhuǎn)軸為Z軸,方向為正。設(shè)置靜止區(qū)域的部分為吸水室、壓水室、進(jìn)水段和出水段。
(3)設(shè)置邊界條件。
進(jìn)口邊界:進(jìn)水段的進(jìn)水面為速度進(jìn)口。
出口邊界:將出水段的出水面設(shè)置為出口邊界,選擇自由流出。
壁面的設(shè)定:葉輪前后蓋板和葉片的壁面設(shè)為旋轉(zhuǎn)壁面,轉(zhuǎn)速為零。其他計算域的壁面設(shè)為靜止壁面。
(4)設(shè)置求解方法。本文對雙吸泵進(jìn)行定常模擬,壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法更接近試驗值。壓力插值項采用標(biāo)準(zhǔn)形式,對動量、湍動能、湍動耗散率均選擇一階迎風(fēng)格式。
2.2 計算結(jié)果
本文選取6個工況點(diǎn)進(jìn)行分析,分別是0.4Q、0.6Q、0.8Q、Q、1.2Q、1.4Q。
雙吸泵的揚(yáng)程計算公式如下[2]:
(1)
式中:Pin、Pout——進(jìn)、出口單位面積平均總壓力,Pa;Δz——進(jìn)、出口之間的高度差,m。
雙吸泵的總效率計算公式如下[3]:
(2)
式中:ηv——容積效率;ηh——水力效率;ΔPd——圓盤摩擦損失功率;Pe——輸出功率。
各工況點(diǎn)的揚(yáng)程、效率性能參數(shù)見表1。
其中Q=280m3/h。
2.3 內(nèi)部流場分析
從葉片靜壓云圖上可以看出,葉片的工作面和背面的壓力都是沿著出流方向呈階梯狀逐步增大,工作面的壓力大于背面的壓力,壓力分布是不對稱的,分布比較合理,符合雙吸泵的流動情況。葉輪的低壓區(qū)出現(xiàn)在葉輪入口稍后的葉片背面,這部分也是最容易發(fā)生汽蝕的地方,隨著流量的增加,入口低壓區(qū)也逐漸減少。
從z=0吸水室、壓水室的靜壓云圖可以看出,吸水室的壓力均勻在進(jìn)口處沒有變化,在大流量下靜壓力有梯度的變化。流體進(jìn)入壓水室后,壓水室靜壓在進(jìn)口處壓力較小,隨著運(yùn)動在出口處增大,但是由于流動損失的存在,壓水室總壓是沿著流動方向逐漸降低的,符合流體力學(xué)流動規(guī)律。
從葉輪速度矢量圖可以看出,葉輪內(nèi)的流動比較均勻總體良好,葉輪內(nèi)速度沿流體流動方向逐漸增大,即葉輪進(jìn)口處流速最小,出口處流速最大,與理論分析的結(jié)果相一致。在工況點(diǎn)和大流量情況下,整體的對稱性比較好。由于大流量和雙吸泵存在沖擊損失,所以在速度上,大流量工況要比小流量工況小一些。
3 ?結(jié)語
應(yīng)用ANSYS FLUENT軟件對雙吸泵進(jìn)行數(shù)值模擬,對包括設(shè)計工況點(diǎn)、小流量點(diǎn)、大流量點(diǎn)在內(nèi)的6種不同運(yùn)行工況下進(jìn)行研究??紤]容積損失和圓盤摩擦損失,通過計算得到了外部性能參數(shù),揚(yáng)程和效率曲線比較平滑,但是揚(yáng)程和效率都沒有達(dá)到設(shè)計的要求。獲取葉輪、吸水室和壓水室的內(nèi)部壓力場和速度場特征,壓力與速度分布基本合理,符合雙吸泵的流動特性,從而認(rèn)證了數(shù)值模擬的可行性。
參考文獻(xiàn)
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