双蜗壳泵压力脉动特性及叶轮径向力数值模拟

2009年11月

农业机械学报

第40卷第11期

双蜗壳泵压力脉动特性及叶轮径向力数值模拟3

杨　敏1　闵思明2　王福军1

(11中国农业大学水利与土木工程学院,北京100083;21上海凯士比泵有限公司,上海200245)

【摘要】　为揭示双蜗壳离心泵的水力不稳定性,采用雷诺时均方法和SST k 2ω湍流模型,对一双蜗壳双吸离心泵进行了三维非定常湍流数值模拟,得到了泵内部流场特性及双蜗壳内压力脉动情况,并对其进行了频谱分析。结果表明双蜗壳内存在比较明显的压力脉动。设计工况下压水室内的压力脉动强度小于非设计工况。在设计工况下,隔舌处和隔板区压力脉动频率均以叶片通过频率为主,其中隔板起始端的脉动幅值最大,约为隔舌处的215倍。在大流量工况下,隔舌处和隔板起始端压力脉动频率以叶片通过频率为主,而小流量工况下以叶轮转频为主。叶轮受到的径向力随着叶轮的旋转呈现不稳定性,其中小流量工况时最明显。3种工况下径向力均指向隔板起始端侧。

关键词:双蜗壳泵　压力脉动　径向力　数值模拟中图分类号:TH311;TV13113+3

文献标识码:A

Numerical Simulation of Pressure Fluctuation and R adial Force in a Double Volute Pump

Yang Min 1　Min Siming 2　Wang Fujun 1

(11College of W ater Conservancy &Civil Engineering ,China A gricultural U niversity ,Beijing 100083,China

21KSB S hanghai Pum p Co.,L td.,S hanghai 200245,China )

Abstract

The three 2dimensional ,unsteady Reynolds 2averaged Navier 2Stokes equations with shear stress

transport turbulent (SST )models were solved to investigate the flow field and the characteristic of pressure fluctuations in the double volute.The results show that the pressure fluctuations are strong in the double volute.The pressure fluctuations in the volute are relatively low at the design flow rate condition.The blade passing frequency dominates the pressure fluctuations near the volute tongue and the clapboard at the design flow rate condition.The amplitude of the pressure fluctuation is largest at the beginning of clapboard ,which is 215times larger than at the volute tongue.At the large flow rate condition ,the blade passing frequency is also dominative in the pressure fluctuations ,but at the small flow rate condition the rotation frequency becomes dominative.The radial force on the impeller is unsteady especially at the small flow rate.At three flow rates ,the radial forces all point at the beginning of clapboard.

K ey w ords Double volute pump ,Pressure fluctuation ,Radial force ,Numerical simulation

收稿日期:2008212205　修回日期:2009204227

3国家自然科学基金资助项目(50779070)和北京市自然科学基金资助项目(3071002)

作者简介:杨敏,博士生,主要从事水动力学与水力机械研究,E 2mail :minyang.cau @

通讯作者:王福军,教授,博士生导师,主要从事水动力学与水力机械研究,E 2mail :wangfj @

引言

双蜗壳结构是一种重要的泵蜗壳型式,每个流道包围叶轮出口180°,可以使叶轮流动更加对称,

平衡运行时作用在叶轮上的径向力,延长轴承、轴封

和口环的使用寿命,因而在高扬程离心泵机组中获

得应用。但目前对双蜗壳的研究还很少,其隔板的位置和形状对蜗壳内的速度场以及压力脉动特性的影响还不明确,因此研究双蜗壳内部流动规律对提高这类离心泵运行稳定性有重要意义。

目前,对于离心泵蜗壳内部流场压力脉动的研

究可采用试验方法和数值方法[1]。试验方法被认为是最直接、最可靠的方法,国内外很多学者对于泵内流体诱发的压力脉动进行了试验研究[2～4]。Jorge L [2]测量了普通蜗壳内的压力脉动,发现隔舌与叶轮的相互作用在蜗壳压力脉动和产生噪音方面有重要作用。但如果对双蜗壳隔板区域的压力脉动进行测量,则因隔板的存在而必须采用接触式测量,这势必会对内部流场产生干扰,影响试验的准确度。随着计算流体力学的发展,考虑叶轮与蜗壳耦合作用的整机流场的数值模拟得到广泛应用[5～7]。G onzalez [5]通过试验和数值模拟方法对离心泵的压力场进行研究,并将数值结果与试验值进行了比较,表明数值模拟方法可在很大流量范围内成功地获得叶片通过频率下的压力脉动幅值,从而验证了采用数值模拟方法研究离心泵压力脉动特性的可行性。K itano Majidi [6]对离心泵内部流场进行了数值模拟,指出叶轮和蜗壳内流动的非稳定特性呈现周期性,在叶轮出口和蜗壳内的压力脉动较强。但到目前为止,尚无对双蜗壳内的压力脉动特性进行数值研究的文献报道。

本文采用雷诺时均方法(RANS )[8],对包括半螺旋形吸水室、叶轮和双蜗壳压水室在内的双吸离心泵全部过流部件流场进行整体非定常数值模拟,将泵的外特性的计算值与试验值进行比较,对泵内的压力脉动特性,特别是蜗壳隔舌处和双蜗壳隔板区压力脉动情况进行重点分析。

1　计算模型

计算对象是一台双蜗壳双吸离心泵,泵的进出口直径分别为800mm 和600mm ,叶轮出口直径D 2=250mm ,叶片数z =7,转速n =750r/min ,设计流量Q d =11725m 3/s ,设计扬程H d

=11315m 。其双蜗壳结构如图1所示。

图1　双蜗壳结构及监测点的设置

Fig.1　Double volute and pressure monitoring locations

计算域包括吸水室、叶轮和压水室3部分。为

了使用第二类边界条件,计算域对双吸离心泵的进

出口进行适当延长(吸水室进口延长018m ,压水室出口延长115m )。由于几何结构比较复杂,采用了对复杂边界适应性强的非结构化四面体网格对计算域进行网格划分,在叶片周围、吸水室和压水室的隔舌及隔板处,进行网格加密,网格总数为1

218762个网格单元。计算域及网格划分结果如图2所示。

图2　计算区域及网格

Fig.2　Computational domain and unstructured mesh

鉴于SST k 2

ω湍流模型的优点是低雷诺数条件下的近壁处理,由于不涉及k 2

ε模型中需要的复杂非线性衰减函数,因而对分离预测的准确度更高[9],本文采用湍流模型为SST k 2ω模型。其具体形式为[10]

5(ρ

k )t +5(ρU i k )x i

=P k -β′ρk

ω+55x i (μ+σk μt

)5k

5x i

(1)

5(ρω)t +5(ρU i ω)5x i =55x i (μ+σωμt )5ω

5x i

+αρS 2-βρω2+2(1-F 1)ρσω2

1ω5k 5x i 5ω5x i

(2)

定义α=F 1α1+(1-F 1)α2,其中α1代表标准k 2

ω模型,α2代表变形后的k 2ε模型。其中F 1为一混合函数

F 1=tanh

min max k β′ωy ,500νy 2ω,4ρ

σω2k D +ωy

2

4

(3)

D +

ω=max 2ρσω2

1ω5k 5x j 5ω

5x j

,10

-10

(4)

其中涡粘系数定义为

νt =

a 1k

max (a 1ω,S F 2)

(5)F 2=tanh max 2

k β′

ωy ,500νy 2ω2

(6)

模型参数为:β′=0109,α=5/9,β=01075,σk 1=

0185,σω1=015,α2=0144,β2=010828,σk 2=1,

σω2=01856。

在计算域进口给定流量,出口给定平均压力;鉴于该双吸泵加工精度较高,假设壁面为水力光滑壁面,并按对数律给定无滑移边界条件;采用“瞬态冻

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