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混流泵进口挡板改善非稳定工况性能研究

文件大小: 格式: 发布时间:2016-03-02 浏览次数:
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【中文关键词】 混流泵  进口流态  进口流场  效率  
【摘要】 通过以SST k-ω模型为基础进行了数值模拟。在四种模拟的方案中选择出最佳方案,计算结果显示挡板数量的增加或减少以及挡板与叶轮进口处的距离都是影响泵性能的因素其中方案2最优。数字模拟结果为混流泵的优化设计提供了数值依据。
【部分正文预览】

引言

       在水泵运行过程中,要求水泵系统能够尽量在满足流量需求的同时,也能满足扬程的需求。并且还需要尽量满足节约能源达到高效的目的。目前引用最广泛的泵型为离心泵,特点为扬程高,并可广泛应用于电力、冶金、煤炭、建材等行业[1]。在整个水泵系统当中,水泵的运行工况对水泵系统的水力特性有着重要影响。直接影响体现在泵运行时的流量和扬程,并且会间接影响水泵机组系统在运行过程当中的稳定性[2]。 

       事实上水流在进入水泵叶轮之前除了具有轴向分速度外,还存在切向速度,水流当中就存在预旋[3]。预旋的存在则会改变叶片上速度三角形中进口速度向量,从而会使水泵运行特性的发生变化。研究显示,在进水设计不良的水泵进水建筑物中,水泵进口也存在着预旋,吸水管内同样分布着涡流[4,5]。并且涡流在离心泵入口侧管段中的形成过程主要是经历了一个从无旋运动到有旋运动的变化过程。因此我们选择在混流泵进口处设置挡板,用以减小预旋对泵效率的影响。至今,对于挡板数量、位置对泵的影响的研究报告成果并不多,故对于挡板对于单级泵水力性能的影响有必要进行研究。 

        如今计算流体力学(CFD)技术发展迅速,如 Ansys-CFX、Fluent 的功能软件在模拟流体机械的内部流场中应用也越来越广泛,并且数据模拟结果和实际情况在大部分情况下相当吻合。故在本研究中正式采用了 Ansys 软件当中的 CFX 对一种单级泵流态进行了数据模拟分析。 

1. 研究对象与数值模拟

1.1研究对象 

      在此次研究当中,泵体的主要设计参数如下:设计流量 QN=144m3/h;转速 n=2950r/min;轴功率P0=311.5Kw;介质为清水。 

      通过三维建模软件 SIMENS-NX8.0 建立的泵体吸水室计算模型如图 1 所示,泵体的计算区域由以下 4 个部分组成,分别是:进水管、叶轮、压水室、出水管。在进出口不进行额外处理,以正常反应回流对模拟结果产生影响以及体现挡板对模拟结果的影响。(下图为吸水室模型,方框中为挡板位置) 

1.2网格划分 

       计算区域中,进出水管以及压水室采用专业的前处理软件 ICEM 进行网格划分,叶轮通过 Ansys TurboGrid 软件进行网格划分。为了研究挡板位置以及数量对混流泵小流量工况的影响,一共设置了 4 种方案(如表格 1 所示)。表一中还包含不同方案环形吸水室的网格质量与数量。针对文中混流泵模型进行网格独立性分析,得出不能将整个计算区域简化为一个流道,需要对整个流域分别进行网格划分再综合到为一个计算域,经过分析得出整个计算域的网格数大约为 1.3千万个。(注:R代表泵体进口半径) 

1.3计算方法 

       采用 Ansys CFX 求解混流泵,采用模型选用 SST k-ω模型,该模型是由 Menter[6]发展,以便可以在广泛的领域中可以独立于 k-ε模型,使得在近壁自由流中 k-ω模型有广泛的应用和精度。为了达到此目的,k-ε模型变成了 k-ω公式。SST k-ω模型和标准的 k-ε模型相似,但在不同流域实用度以及精确度上高于标准的 k-ε模型。其中 SST k-ω在湍流粘度上考虑到了剪切应力的传播,同时模型常量也有一定不同。因此SST k-ω更适用于复杂的流场计算。 

其方程形式如下: 

       在方程中,Gk表示湍流的动能,Gω为方程,Γk,Γω分别代表 k 与蓜有效扩散项,Yk,Yω分别表示 k与蓜发散项。Dω表示正交发散项。Sk与Sω用户自定义。 

        这个方程与标准的 k-ω模型不同,标准 k-ω中,α∞为一个常数,而在 SST 模型中,α∞方程如下所示: 

       为得到较精确的计算值,设置其边界条件如下:进口边界条件,进口采用质量流量进口边界条件,参考流速设置为3.6 m/s;边界出口条件,采用总压出口,参考压力设置为 1Bar。 

2. 计算结果与分析 

2.1 叶片表面压力

       在液体内,局部压力降低的时候,会使得液体内部或固液交界面上气体空泡的形成、发展以及溃灭过程,我们将这种现象称之为空化现象。在液体当中的物体受到空化现象的影响后,会出现变形、腐蚀等称为气蚀现象的产生。通常我们会选择在易发生气蚀区域涂上抗气蚀材料,但相应则会增加成本。更好的方式就是在设计水泵时,进行模拟,通过叶片表面压力反馈更改设计。 

       如图 3 所示,为入口挡板数量及高度设置不同的情况下,在水泵叶轮轮毂中心位置的水泵叶片表面静压分布云图。其中,通过在水泵进口未设置挡板与设置挡板不同情况的比较,可以得出设置挡板后叶片压力分布明显优于未设置挡板,且设置一块挡板与设置两块挡板并没有太明显的区别。再观察叶片压力面与吸力面压力,在方案 2 中,叶片压力面与吸力面压力差较小;通过观察数据,方案 3 显示出其叶片压力差大小位于方案 1、2 之间。 

2.2 叶轮进口轴面流场 

       如图 4 中所示叶轮进口处截面图。对比方案 1 与方案 2,明显在增加挡板后,挡板有效改变了靠近叶轮室壁面的螺旋型回流的连续性,有效减小了出现回流的区域,增加了轴向主流区域。同时再横向比较方案 2 与方案 4,选择增加两块挡板后,叶轮室壁面附近的回流区域差异并不大。相较于方案 2,方案 3 所产生的回流区域略大,但也小于方案 1 中所示区域。

       再观察图 4 中轴面上叶轮进口速度分布图。方案 1 中,在叶轮进口边缘出现明显回流,回流造成了叶轮进口流道的堵塞,使得水泵有效过流面积减小,并且在流道中间也存在涡流。而方案 2、3、 4 中显示叶轮进口处的挡板有效的阻断了叶轮进口回流的连续性,减弱了回流沿着径向和轴向的发展,有效减小了回流对于叶轮进口通道处的堵塞程度,提高了扬程。三种方案中,方案 2 中效果为最优,方案 4 效果较差。 

2.3 效率扬程对比 

       通过模拟,可以得到在同样工况下,方案 1-4 的效率与扬程。相比较之下,可以得出。方案 2-4的效率及扬程明显高于方案 1;方案 3 的扬程与效率高于方案 4,而略低于方案 2。 

3. 总结 

       根据模拟结果显示,叶片工作面附近压力比背部附近压力大,以及压力与速度有较大关联性等。在环形压水室,由没有挡板到增加挡板时,挡板设置在一定程度上限制了叶轮进口回流的连续性,抑制了回流的发展。但在设计挡板改善进口流动状况时,挡板数量增加并不能保证得到较好的流态,仅增加挡板数量甚至会导致进口流动状态变差。在挡板高度增加会使水泵进水口流动状态得到优化,而对于稳定运行区性能无太大影响。对比方案 2 与方案 4,效率相差不大,但基于几何强度考虑,方案 4 中的隔板铸造困难,经济效益考虑方案 2 更合算,故考虑实际制造时会选用方案 2。 

参考文献 

[1]王福军,魏永霞,等.水泵与水泵站[M],2005. 

[2]杨华,孙丹丹,汤方平,等.轴流泵非稳定工况下叶轮进口流场实验研究[J].排灌机械工程学报,2011,29(5):406-410. [3]朱红耕,陆林广,等.水泵进口预旋及涡流强度测试新技术[J].灌溉排水学报,2003,22(3):57-58. 

[4]American National Standard for Pump Intake Design[M].NJ.USA,1998:22-28. 

[5]Laboratory of Pump Study report on the C W Pump sump and intake hydraulic model test[M].Yangzhou University,2003:3-28. 

[6]Menter F R. Zonal Two Equation k-ω Turbulence Models for Aerodynamic Flow[J].AIAA-93-2906. 

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