离心泵流场数值模拟方法研究

姜小放, 等 . 离心泵流场数值模拟方法研究
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能量守恒定理, 动能在这个过程中转化成了压力能。
《 图 5 离心泵 z = 0 回转平面上静压分布
化 通过对比压力和速度分布图, 可以很清楚地掌握
图 6 离心泵 z = 0 回转平面上速度矢量分布
离心泵内流体 的变化特征, 压 力分布在 进口处 最低,
无关, 但给定一个合理的初始值对于促进计算的收
敛是有益 的。湍 动 能 及 湍 流 耗 散 率 按 以 下 公 式 计
算 : [ 7-8 ]
湍动能 k = 3 u珔I2
( 1)
2
κ3
湍流耗散率
3
ε= Cμ4
2 l
( 2)
图 3 蜗壳实体和 CFD 模型
湍流强度
I = 0. 16(
Re)
-
1 8
( 3)
备 表 1 离心泵不同工况扬程计算
项目
数值
与 流 量 / ( m3·h-1 ) w 进 口总压 /Pa w 管 出口总压 /Pa
100 33 491 603 041
120 32 797 604 654
160 27 508 596 464
200 25 342 591 369
240 21 941 583 423
3 模拟结果分析
离心泵内流体数值模拟, 有关文献指出, 我们可
以根据模拟结果得到 离心 泵扬 程、轴 功率 和效 率 的
计算公式如下[ 9-1 0] :
( 1) 扬程 H 计算公式
H=
p珋out ρg
p珋i n
+
h
( 4)
p珋out 为离心泵出口单位质量平 均压力, p珋in 为离 心 泵入口单位质量平均压力, h 为离心泵出口平面与
η) 曲线等, 从而指导优化设计。
杂的三维非定常流动, 但在目前非定常计算很难实
从泵内流场的模拟结果中, 我们可以得到离心
现, 并且模拟时间长, 资源要求高, 很多研究表明, 利
泵内任意一点或任一截面上的流体流动情况, 在这
用瞬时定常流动代替非定常计算, 能很好地预测离
里我们仅取 z = 0 截面作为研究分析 对象, 提取压 力
进口轴线的距离, 代表离心泵所获得的势能。
( 2) 轴功率
Mz n
P=
( 5)
9 549
( 3) 泵效率计算公式
η=
3
600
ρgQH ×1 000
×P
( 6)
模拟离心泵的流场时, 一般采用多参考系模型 ( MRF) 和滑 移 网 格 ( Moving Mesh) 技 术, 这 里 我 们
百度文库
其中 Q 为流 量, n 为转 速, Mz 为 作 用在 叶 轮 上 的力对转轴的力矩。
心泵内的流场特性。本文在定常计算的基础上, 选
分布、速度矢 量 分 布 和速 度 分 量 的 等值 线 图 ( 见 图
用标准的 k-ε模型, 采用压力速度耦合 simple 算法,
5, 图 6) 。通过观察各参数的 分布情 况, 可 以发现 流
模拟计算雷 诺 N-S 时 均 方 程。 壁 面 采 用 无 滑 移 边
通 过 分 析 研 究 离 心 泵 的 结 构 、建 模 方 法 、网 格 划
Ser. Transp. Eng. 2006, 34( 1-2 ) : 59-68. [ 7 ] 姜小放 , 曹西京 , 司 震 鹏. FLUENT 技 术 在 工业 管 道 设 计中 的
分及数值模拟方法等几 个方 面, 介 绍了 离心 泵 CFD 模拟的流程, 这是实际应用和运用数值模拟方法进 行试验研究离心泵性能的一种有效手段, 它不仅可
《 Study of Numerical Simulation Method for Flowing Field in Centrifugal Pump 化 JIANG Xiao-fang1, XU Ming-li2
( 1. Xian Oriental group Co. , Ltd, Xian 710043, China; 2. School of Material and Chemical Engineering,
以减少试验费用, 而且对工程实际中离心泵在不同
第 47 卷第 5 期 2010 年 10 月
化 工 设 备与 管 道 PROCESS EQUIPMENT & PIPING
Vol. 47 No. 5 Oct. 2010
·机械与密封·
离心泵流场数值模拟方法研究
姜小放1, 徐明利2
( 1. 西安东方集团有限公司, 西安 710043; 2. 西安工业大学 材料与化工学院, 西安 710032)
法探讨 [ J] . 22 ( 1) : 20 -22 .
[ 4 ] 王福军 . 水泵叶 轮的计 算机 三维实 体造 型研 究 [ J] . 农 业机 械
学报, 1997, 28( 2 ) : 66-70.
[ 5 ] 郝一舒 , 王德 斌, 杨 玮 玮 . 基 于 NURBS 的 整体 叶 轮 建 模 技 术
1.1 离心泵简介 离心泵的的通 流部 件包 括: 吸入 室、叶 轮、无 叶
环形空间 扩 散 室、蜗 壳 型 集 水 室、扩 散 室[ 1] 。 各 部 分结构见图 1。 1. 2 离心泵 CFD 模型
离心泵三元扭曲叶轮的结构复杂, 目前在建模 时最常用的 三维 造 型软 件 有 Pro / E、SolidWorks、UG 等, 这些软件的建模功能都非常强大, 并且各自带有 后置处理系统, 在 CAD/ CAM 中, 已成为主要应用 的 工具。离心泵的建模难点就是叶轮的三元叶片和蜗 壳隔舌处的处理过程, 在整个的模型建立过程已有
4 结束语
图 7 流量与扬程曲线
[6]
[ J] . CAD / CAM 与制 造业信 息化, 2009( 2 ) : 85-86. Corneliu BERBENTE, Irina Carmen Andrei. Special Topics on Map Meshing in Turbomachinery [ J] . Periodica Polytechnica
采用 MRF 技 术 模拟 离 心 泵 的 旋 转。 进 口 选 择 “速
根据数值模拟结果, 我们就 可以得 到流量-扬 程
度”进口, 出口选择 自由流 出 ( outflow) , 也 有很 多 文
( Q-H) 曲 线, 流 量-功 率 ( Q-N) 曲 线, 流 量-效 率 ( Q-
献在出口处用压力出口。离心泵内的流场是非常复
2 网格划分及边界条件
《 离心泵数 值 模 拟 中 的 第二 步 工 作 就 是 将 CFD 化 模型进行网格离散 ( 见 图 4) , 因 为三 元叶 轮结 构 比
较复杂, 目前应用最多的就是非结构化网格, 也有很
工 多人在尝试用结构化网格进行蜗壳部分的划分。在
划分网格时我们应根据计算资源选择合理的网格数
图 2 离心叶轮实体和 CFD 模型
收 稿日期 : 2010-03 -23 作 者简介 : 姜小放 ( 1978 —) , 男, 陕西礼 泉人 , 助 理工 程师, 硕士 研究
生。研 究方向 : 机械 CAD 与仿真 技术 。
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化工 设 备 与 管 道
第 47 卷第 5 期
义, 虽然数值计算最终 的收 敛 解与 k 和 ε的初 始 值
工Xian Technological University, Xian 710032, China)
设 Abstract: In order to systematically analyze centrifugal with numerical simulation, in this paper, the structure of centrifugal pump 备 and the methods of building analytical model, mesh classification and numerical simulation were described in detail. In addition, the
量对离心泵内流场不同程度的影响, 另外根据模拟
界, 取粗糙度为 0. 125。
各种流量 时 的工 况, 得 出 了流 量 和扬 程 曲线 ( 见
采用标 准 k-ε模 型时, 在设 置入 口边 界条 件 的
图 7) 。
各 项 参 数 时 , 还 需要 对 湍 动 能 k和 耗 散 率 ε进 行 定
2010 年 10 月
摘 要: 为了对离心泵的数值模拟做系统的分析研究, 提高模拟手段, 为设计者和工程应用人员提供参考。系统地
阐述了离心泵的结构、建模、网格划分和数值模拟方法, 给出了离心泵在数值模拟时的基本方法和步骤。
关键词: 离心泵; 数值模拟; CFD; 工程应用
中图分类号: TQ 051. 2
文献标识码: A
文章编号: 1009-3281( 2010) 05-0031-03
[ 8] [ 9]
应用[ J] . 化 工设备 与管 道, 2009, 46 ( 5) : 46 -48. 王福军 . 计算流 体动力 学分 析[ M] . 北 京: 清华大 学出 版社. 董晓岚 . 离心泵 内 部 非 定常 速 度 场 数值 研 究 [ J] . 石 油 机械 , 2009, 37 ( 4) : 45 -48 .
在本次数值模拟中没有考虑叶轮前后盖板, 所
工 出口处达到最大值。而 速度在叶轮内 部的分布 为进 以轴功率和离心泵的 效率 在此 不 予计 算, 只给 出 扬
设 口处速度较低, 在叶轮出口处 速度达到 最大, 当 流体 程的计算结 果 和 性 能 曲 线。表 1 中 进 出 口 压 力 是
到达蜗壳出口的时候, 速度降到最低, 这刚好验证了 Fluent 模拟结果中直接输出的结果。
设 量, 合理的 数量 既 可 以 得 到 满 意 的 模 拟 结 果[ 6] , 而 备 且也可节省资源, 提高效率。
www.tced.与co管m 道》 图4 离心泵CFD模型网格图
式中 l 湍 流 长度 尺 寸, l = 0. 7L, 可 按 水 力 半 径 通过关联尺寸计算。其中, I 为湍流强度, u 为入口 处的平均速度, L 为特征长度( 在 本文中取 值为入 口 管道的直径) , R 由 u 和 L 计算而得。
ww 管 离心泵是重要的流体输送设备, 在各行业的应 . 道 用很广。随着计算机 技术 的发 展, 离 心泵 的设 计 已 tc 》 从传统的经验设计向 CFD( 计算流体力学) 及其实 e 验验证相结合的设计 方式 过渡, 这对 于设 计界 来 说 d 无疑是一项重大的 革新。 在实 际 应用 中, 工程 技 术 . 人员对离心泵的检测 仍需 依靠 设 备检 测, 只是 在 管 c 路和流体机械本身的运转过程, 可以 借助 CFD 技 术 om 来预测故障发生的原因。对离心泵数值模拟方面的
fundamental methods and procedures in simulation were also presented. What described herein can be referenced to designers and engi-
与 neers. w Keywords: centrifugal pump; numerical simulation; CFD; engineering application
很多文献可以参考[ 2-5] , 这里就不详述。离心叶轮实 体和蜗壳实体的 CFD 模型见图 2, 图 3。
研究, 国内外已发表了很多学术文献, 但是还有很多
方面需要不断地进行深入分析研究。
1 离心泵结构介绍和 CFD 模型
图 1 离心泵结构示意
1. 吸入室; 2. 叶轮; 3. 无叶环流空间扩散室; 4. 蜗壳型集水室; 5. 扩散室
280 17 961 568 978
w. 道 压差/Pa
569 550
571 857
568 956
566 027
561 482
551 017
t 扬 程 / m
53. 31
53. 53
53. 26
52. 99
52. 57
51. 59
ce 》 参考文献
d.[ 1] c [ 2 ] om [ 3]
关凡醒 . 现代泵 技术手 册[ M] . 北 京: 宇航 出版社 , 1995. 9. 扬方飞 , 林洪义 . 泵 叶 轮扭 曲 叶 片 三维 实 体 造 型[ J] . 水 泵 技 术, 2002( 1) : 30-32. 戴玉姝, 王霄, 蔡兰. 离心泵叶轮扭曲叶片参数化实体造型方