低比转速半螺旋吸水室双吸泵流场的数值分析
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半螺旋形吸水室流道弯曲变化较大, 计算采用 修正的 k - 湍 流模 型, 压力 速 度耦 合方 式 选用 S IM PLE算法, 迭代过程采用欠松弛因子进行 [ 2- 4] .
3 边界条件
通过对 0. 6倍、0. 8倍、1. 0倍、1. 2倍和 1. 4倍 设计流量这 5个流量点分别进行模拟分析, 可以得 到这 5个流量点下的内部流场分布结果, 同时可以 对整体流道水力性能进行预测. 4. 1 蜗壳内叶轮压力
2 网格划分和计算模型的选取
采用 Pro /E软件对半螺旋形吸水室、叶轮和蜗 壳部件内部流道进行三维造型, 利用 GAM BIT 软件 对其进行网格划分. 由于半螺旋形吸水室内部流道 的结构造型比较复杂, 进水流道和叶轮部分均采用 适应性较强的非结构四面体单元进行划分, 而蜗壳 部分则采用混合网格划分, 以便得到质量较好的网 格条件. 经过前期计算校 核, 最后确 定网格总数为 320 000左右时, 可得到稳定的计算结果.
40
排灌
扬程 H 为 29. 5m, 转速 n 为 1 450 r /m in, 比转速 ns 为 58, 叶片数 z为 6.
所选用双吸泵及半螺旋形吸水室为对称结构, 其对称面满足对称边界条件, 所以计算区域选择吸 水室和叶轮、泵体流道的一半 [ 1] , 见图 1.
机械
第 26卷
3. 2 出口边界条件 由于出口压力和速度分布未知, 出口边界采用
半螺旋吸水室进行数值模拟, 并用数值计算的结果 对流道进行改造, 优化流道内部流场分布, 使得叶轮 进口水力条件得到有效改善, 性能得到提高.
1 叶轮基本参数和计算区域的选择
双吸泵叶轮设计参数为: 流量 Q 为 140 m3 / h,
收稿日期: 2008- 03 - 11 基金项目: 江苏省科技攻关重大项目 ( BE2006084 )
初始速度. 假定速度方向垂直于进口面 in. 速度:
u in =
Q=
in
Q r2
式中 Q 为进口体积流量, r为进口处流道半径.
进口湍动能 k 和耗散率 由下列经验公式确
定:
k = 0. 005u2in,
=
C3 /4 !
k3/2 l
式中 l 为进口混合长度; C! 取值 0. 09.
图 3 对称面叶轮蜗壳流道总压分布 F ig. 3 T ota l pressure distr ibution o f symm etry plain
opt im ized
半螺旋形吸水室进水流道一直依靠经验系数和 试验方法进行设计和修正. 由于内部结构较为复杂, 对于其内部流场分布和变化, 依靠试验的方法很难 全面掌握和总结. 随着 CFD 技术的发展, 利用数值 模拟代替试验, 使得复杂流道内部流场的进一步研 究成为可能.
笔者通过 CFD技术, 对某低比转速双吸泵及其
Num erical analysis on inner flow in low specific speed double suction centrifugal pump w ith spiral suction chamber
ZH U R ong sheng, OUM ing x iong, FU Q iang, GUAN Rong guo, LI J i zhong
图 4 为设计流量点时, 在对称面蜗壳和叶轮流 道内的绝对速度矢量图. 由图 4可见, 流速从叶片进 口到出口逐渐增大, 叶轮流道内流速分布不均. 在叶 轮流道进口到中间位置, 靠近叶片压力面的流体流 速明显大于吸力面的; 在流道中间处, 压力面和吸力 面附近流体流速差变小; 在叶轮出口, 受叶轮内部流 道流速影响, 压力面和吸力面附近流体流速都较高. 在蜗壳流道内, 流速沿着蜗壳内流道逐渐平稳降低. 流体流速在扩散管内也随着管径的 增大而逐渐降 低. 总体速度分布符合蜗壳设计 ( 由于从蜗壳第八 断面到扩散管前包括隔舌的一段使用了加密网格, 所以在矢量图中, 这一段速度矢量显示较密 ).
作者简介: 朱荣生 ( 1964 ) , 男, 湖南永州人, 博士, 研究员 ( zrs@ u js. edu. cn) , 主要从事流体机械及工程的研究.
欧鸣雄 ( 1983 ) , 男, 湖南怀化人, 硕士研究生 ( omx_1983@ yahoo. com. cn) , 主要从事计算流体力学的研究.
in im pe ller and vo lute
4. 3 半螺旋ห้องสมุดไป่ตู้吸水室流道内的压力和速度 图 5 为设计流量点时, 半螺旋形吸水室进水流
道沿进口平面绝对速度矢量图.
图 5 吸水室流道绝对速度矢量 F ig. 5 A bso lute ve loc ity vector chart of suction chamber
的阻挡, 形成一个小的低速区. 在流道中间区域, 随 着过水面逐渐变小, 流速逐渐增大, 符合进水流道的 设计. 图 6为设计流量点时, 半螺旋形吸水室进水 流道垂直出口方向截面的绝对速度矢量图, 由图可 见流速从流道进口到出口的变化, 以及出口处流速 沿轴线截面的分布. 图 6中, 由于受密封体挡水板和 隔舌 ( 见图 1右下图所示 ) 的影响, 在设计 流量点, 进口流道出口挡水板前面流道内出现了不明显的漩 涡, 但是在整个流道出口轴向截面, 出口轴向速度沿 出水口均匀分布, 并有一定的预 旋. 随着流 量的增 大, 前述位置处的漩涡更加明显, 隔舌位置处也有小 漩涡存在, 并出现回流, 导致在流道出口处靠近挡水 板位置处流速变小, 而整个出口位置处流速在出水 口轴向分布变化较大, 对叶轮进口的吸入性能产生 了不利影响. 在小流量点情况下则发现漩涡逐渐消 失, 出口速度沿轴向分布也较为均匀. 可见, 流量的 大小对半螺旋形吸水室流道内部流场的影响是明显 的. 由此认为, 密封体挡水板以及吸水室隔舌处还需 要进行改进.
第二类边界条件. 3. 3 壁面条件
在叶片和轮毂等各固体壁面, 均采用无滑移条 件, 对于近壁区的流体流动则采用标准壁面函数法. 3. 4 压力边界条件
为了保证计算的稳定性, 在计算域中, 选择某一 点的压力值作为参考压力, 边界上压力法向导数为 零 [ 5, 6] .
4 计算结果及分析
图 1 计算域与吸水室 F ig. 1 Ca lculation area and suc tion cham be r
第 26卷 第 4期 2008年 7月
排灌机械 D ra inag e and Irrig ation M ach inery
V o.l 26 N o. 4 July 2008
低比转速半螺旋吸水室双吸泵流场的数值分析
朱荣生, 欧鸣雄, 付 强, 管荣国, 李继忠
( 江苏大学 流体机械工程技术研究中心, 江苏 镇江 212013 )
摘 要: 在 CFD软件 F luent中采用考虑了旋转与曲率影响的 RNG 湍流模型, 对具有半螺旋形吸水 室的单级双吸离心泵进行了全流道 ( 包括吸水室流道在内 ) 数值模拟计算. 结果发现, 在叶轮流道 内流速沿叶轮进口到出口逐渐增大; 在叶轮流道前半部, 靠近压力面处的流速明显大于吸力面, 叶 轮流道内压力分布基本和设计相符. 通过对半螺旋形吸水室流道内部流场数值模拟结果进行分析 后发现, 在设计流量点, 半螺旋流道出口隔舌及密封体处出现漩涡, 并随着流量的增大漩涡逐渐明 显, 对叶轮进口产生影响. 该结果对双吸泵及其进水流道进一步的性能优化设计提供了依据. 关键词: 双吸离心泵; 模拟; 叶轮; 半螺旋形吸水室; 漩涡; 优化 中图分类号: TH 311 文献标志码: A 文章编号: 1005- 6254( 2008) 04- 0039- 04
由图 5可见, 在进水流道进口靠近蜗壳外壁面 的分水区域, 由于流道弯曲变化太大, 受蜗壳外壁面
通过数值计算的结果, 可以获得整个计算域流 道进出口总压差 ∀p 和泵轴的输出扭矩M, 并由以下
公式可分别获得扬程和效率的预测值:
H=
∀p #g
( T echn ical and R esearch C enter of F lu id M ach inery Eng ineering, Jiangsu U n ivers ity, Zhen jiang, J iangsu 212013, Ch ina)
Abstract: W ith the use of RNG turbu lent m odel in the CFD softw are F luen,t the inner flow o f double suction centrifuga l pum p w ith sem i spira l suct ion cham ber was calculated. It w as found that the flow rate is increasing from inlet to outlet in the im pe ller a t the first half of impeller channe;l the velocity beside the pressure side o f blade is larger than that beside the suction side. T he flow f ie ld distribution o f im peller is un iform. But in the sem i sp iral suction cham ber, sw irls occur beside the tongue and sealed block at the designed flow rate, and the sw irls becom e m ore obviously w hen the flow rate increases, w hich has effect on the in let cond it ion of the im peller. T he above analysis prov ides re ferences for the improvem ent of the doub le suction pum p w ith sem i sp iral suction cham ber. K ey w ord s: doub le suct ion centrifuga l pump; sim u lation; im pe ller; sem i sp iral suction cham ber; sw ir;l
图 2和图 3分别为设计流量点时对称面上叶轮 和蜗壳流道内的静压和总压分布图.
图 2 对称面叶轮蜗壳流道静压分布 F ig. 2 Static pressure distr ibution o f symm etry plain
in im pe ller and volute
3. 1 进口边界条件
进口采用第一类边界条件, 在进口边界上给定
图 6 设计流量点吸水室速度 矢量 F ig. 6 V e lo city vecto r chart of suc tion cham be r unde r ra ted flow
5 性能曲线预测与分析
图 4 对称面蜗壳叶轮流道速度矢量 F ig. 4 V e lo city vector chart of symme try p la in
in im pe ller and volute
由图 2可见, 在叶轮进口有明显的低压区, 并且
第 4期
朱荣生等: 低 比转速半螺旋吸水室双吸泵流场的数值分析
41
在叶片吸力面处存在一个最低压区, 这与双吸泵最 容易发生汽蚀的位置相吻合; 沿着叶轮流道, 随着半 径的增大, 静压值逐渐升高, 在叶轮出口处压力达到 最高. 由图 3可见, 在叶轮流道内动压值随着叶轮半 径的增大而增大, 由于隔舌处过流面积较小, 在隔舌 后的蜗壳流道小区域内流速明显增大; 在扩散管流 道内, 靠近叶轮一侧管壁附近的的流体动压, 比另一 侧要大, 流速相对较高. 4. 2 蜗壳内叶轮速度
3 边界条件
通过对 0. 6倍、0. 8倍、1. 0倍、1. 2倍和 1. 4倍 设计流量这 5个流量点分别进行模拟分析, 可以得 到这 5个流量点下的内部流场分布结果, 同时可以 对整体流道水力性能进行预测. 4. 1 蜗壳内叶轮压力
2 网格划分和计算模型的选取
采用 Pro /E软件对半螺旋形吸水室、叶轮和蜗 壳部件内部流道进行三维造型, 利用 GAM BIT 软件 对其进行网格划分. 由于半螺旋形吸水室内部流道 的结构造型比较复杂, 进水流道和叶轮部分均采用 适应性较强的非结构四面体单元进行划分, 而蜗壳 部分则采用混合网格划分, 以便得到质量较好的网 格条件. 经过前期计算校 核, 最后确 定网格总数为 320 000左右时, 可得到稳定的计算结果.
40
排灌
扬程 H 为 29. 5m, 转速 n 为 1 450 r /m in, 比转速 ns 为 58, 叶片数 z为 6.
所选用双吸泵及半螺旋形吸水室为对称结构, 其对称面满足对称边界条件, 所以计算区域选择吸 水室和叶轮、泵体流道的一半 [ 1] , 见图 1.
机械
第 26卷
3. 2 出口边界条件 由于出口压力和速度分布未知, 出口边界采用
半螺旋吸水室进行数值模拟, 并用数值计算的结果 对流道进行改造, 优化流道内部流场分布, 使得叶轮 进口水力条件得到有效改善, 性能得到提高.
1 叶轮基本参数和计算区域的选择
双吸泵叶轮设计参数为: 流量 Q 为 140 m3 / h,
收稿日期: 2008- 03 - 11 基金项目: 江苏省科技攻关重大项目 ( BE2006084 )
初始速度. 假定速度方向垂直于进口面 in. 速度:
u in =
Q=
in
Q r2
式中 Q 为进口体积流量, r为进口处流道半径.
进口湍动能 k 和耗散率 由下列经验公式确
定:
k = 0. 005u2in,
=
C3 /4 !
k3/2 l
式中 l 为进口混合长度; C! 取值 0. 09.
图 3 对称面叶轮蜗壳流道总压分布 F ig. 3 T ota l pressure distr ibution o f symm etry plain
opt im ized
半螺旋形吸水室进水流道一直依靠经验系数和 试验方法进行设计和修正. 由于内部结构较为复杂, 对于其内部流场分布和变化, 依靠试验的方法很难 全面掌握和总结. 随着 CFD 技术的发展, 利用数值 模拟代替试验, 使得复杂流道内部流场的进一步研 究成为可能.
笔者通过 CFD技术, 对某低比转速双吸泵及其
Num erical analysis on inner flow in low specific speed double suction centrifugal pump w ith spiral suction chamber
ZH U R ong sheng, OUM ing x iong, FU Q iang, GUAN Rong guo, LI J i zhong
图 4 为设计流量点时, 在对称面蜗壳和叶轮流 道内的绝对速度矢量图. 由图 4可见, 流速从叶片进 口到出口逐渐增大, 叶轮流道内流速分布不均. 在叶 轮流道进口到中间位置, 靠近叶片压力面的流体流 速明显大于吸力面的; 在流道中间处, 压力面和吸力 面附近流体流速差变小; 在叶轮出口, 受叶轮内部流 道流速影响, 压力面和吸力面附近流体流速都较高. 在蜗壳流道内, 流速沿着蜗壳内流道逐渐平稳降低. 流体流速在扩散管内也随着管径的 增大而逐渐降 低. 总体速度分布符合蜗壳设计 ( 由于从蜗壳第八 断面到扩散管前包括隔舌的一段使用了加密网格, 所以在矢量图中, 这一段速度矢量显示较密 ).
作者简介: 朱荣生 ( 1964 ) , 男, 湖南永州人, 博士, 研究员 ( zrs@ u js. edu. cn) , 主要从事流体机械及工程的研究.
欧鸣雄 ( 1983 ) , 男, 湖南怀化人, 硕士研究生 ( omx_1983@ yahoo. com. cn) , 主要从事计算流体力学的研究.
in im pe ller and vo lute
4. 3 半螺旋ห้องสมุดไป่ตู้吸水室流道内的压力和速度 图 5 为设计流量点时, 半螺旋形吸水室进水流
道沿进口平面绝对速度矢量图.
图 5 吸水室流道绝对速度矢量 F ig. 5 A bso lute ve loc ity vector chart of suction chamber
的阻挡, 形成一个小的低速区. 在流道中间区域, 随 着过水面逐渐变小, 流速逐渐增大, 符合进水流道的 设计. 图 6为设计流量点时, 半螺旋形吸水室进水 流道垂直出口方向截面的绝对速度矢量图, 由图可 见流速从流道进口到出口的变化, 以及出口处流速 沿轴线截面的分布. 图 6中, 由于受密封体挡水板和 隔舌 ( 见图 1右下图所示 ) 的影响, 在设计 流量点, 进口流道出口挡水板前面流道内出现了不明显的漩 涡, 但是在整个流道出口轴向截面, 出口轴向速度沿 出水口均匀分布, 并有一定的预 旋. 随着流 量的增 大, 前述位置处的漩涡更加明显, 隔舌位置处也有小 漩涡存在, 并出现回流, 导致在流道出口处靠近挡水 板位置处流速变小, 而整个出口位置处流速在出水 口轴向分布变化较大, 对叶轮进口的吸入性能产生 了不利影响. 在小流量点情况下则发现漩涡逐渐消 失, 出口速度沿轴向分布也较为均匀. 可见, 流量的 大小对半螺旋形吸水室流道内部流场的影响是明显 的. 由此认为, 密封体挡水板以及吸水室隔舌处还需 要进行改进.
第二类边界条件. 3. 3 壁面条件
在叶片和轮毂等各固体壁面, 均采用无滑移条 件, 对于近壁区的流体流动则采用标准壁面函数法. 3. 4 压力边界条件
为了保证计算的稳定性, 在计算域中, 选择某一 点的压力值作为参考压力, 边界上压力法向导数为 零 [ 5, 6] .
4 计算结果及分析
图 1 计算域与吸水室 F ig. 1 Ca lculation area and suc tion cham be r
第 26卷 第 4期 2008年 7月
排灌机械 D ra inag e and Irrig ation M ach inery
V o.l 26 N o. 4 July 2008
低比转速半螺旋吸水室双吸泵流场的数值分析
朱荣生, 欧鸣雄, 付 强, 管荣国, 李继忠
( 江苏大学 流体机械工程技术研究中心, 江苏 镇江 212013 )
摘 要: 在 CFD软件 F luent中采用考虑了旋转与曲率影响的 RNG 湍流模型, 对具有半螺旋形吸水 室的单级双吸离心泵进行了全流道 ( 包括吸水室流道在内 ) 数值模拟计算. 结果发现, 在叶轮流道 内流速沿叶轮进口到出口逐渐增大; 在叶轮流道前半部, 靠近压力面处的流速明显大于吸力面, 叶 轮流道内压力分布基本和设计相符. 通过对半螺旋形吸水室流道内部流场数值模拟结果进行分析 后发现, 在设计流量点, 半螺旋流道出口隔舌及密封体处出现漩涡, 并随着流量的增大漩涡逐渐明 显, 对叶轮进口产生影响. 该结果对双吸泵及其进水流道进一步的性能优化设计提供了依据. 关键词: 双吸离心泵; 模拟; 叶轮; 半螺旋形吸水室; 漩涡; 优化 中图分类号: TH 311 文献标志码: A 文章编号: 1005- 6254( 2008) 04- 0039- 04
由图 5可见, 在进水流道进口靠近蜗壳外壁面 的分水区域, 由于流道弯曲变化太大, 受蜗壳外壁面
通过数值计算的结果, 可以获得整个计算域流 道进出口总压差 ∀p 和泵轴的输出扭矩M, 并由以下
公式可分别获得扬程和效率的预测值:
H=
∀p #g
( T echn ical and R esearch C enter of F lu id M ach inery Eng ineering, Jiangsu U n ivers ity, Zhen jiang, J iangsu 212013, Ch ina)
Abstract: W ith the use of RNG turbu lent m odel in the CFD softw are F luen,t the inner flow o f double suction centrifuga l pum p w ith sem i spira l suct ion cham ber was calculated. It w as found that the flow rate is increasing from inlet to outlet in the im pe ller a t the first half of impeller channe;l the velocity beside the pressure side o f blade is larger than that beside the suction side. T he flow f ie ld distribution o f im peller is un iform. But in the sem i sp iral suction cham ber, sw irls occur beside the tongue and sealed block at the designed flow rate, and the sw irls becom e m ore obviously w hen the flow rate increases, w hich has effect on the in let cond it ion of the im peller. T he above analysis prov ides re ferences for the improvem ent of the doub le suction pum p w ith sem i sp iral suction cham ber. K ey w ord s: doub le suct ion centrifuga l pump; sim u lation; im pe ller; sem i sp iral suction cham ber; sw ir;l
图 2和图 3分别为设计流量点时对称面上叶轮 和蜗壳流道内的静压和总压分布图.
图 2 对称面叶轮蜗壳流道静压分布 F ig. 2 Static pressure distr ibution o f symm etry plain
in im pe ller and volute
3. 1 进口边界条件
进口采用第一类边界条件, 在进口边界上给定
图 6 设计流量点吸水室速度 矢量 F ig. 6 V e lo city vecto r chart of suc tion cham be r unde r ra ted flow
5 性能曲线预测与分析
图 4 对称面蜗壳叶轮流道速度矢量 F ig. 4 V e lo city vector chart of symme try p la in
in im pe ller and volute
由图 2可见, 在叶轮进口有明显的低压区, 并且
第 4期
朱荣生等: 低 比转速半螺旋吸水室双吸泵流场的数值分析
41
在叶片吸力面处存在一个最低压区, 这与双吸泵最 容易发生汽蚀的位置相吻合; 沿着叶轮流道, 随着半 径的增大, 静压值逐渐升高, 在叶轮出口处压力达到 最高. 由图 3可见, 在叶轮流道内动压值随着叶轮半 径的增大而增大, 由于隔舌处过流面积较小, 在隔舌 后的蜗壳流道小区域内流速明显增大; 在扩散管流 道内, 靠近叶轮一侧管壁附近的的流体动压, 比另一 侧要大, 流速相对较高. 4. 2 蜗壳内叶轮速度