多級(jí)雙吸式離心泵三維流場(chǎng)數(shù)值模擬

0泵內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)及仿真北趙黃工程主要解決了萬(wàn)榮縣和臨沂縣山區(qū)的旱地灌溉問題。謝村二級(jí)站位于萬(wàn)榮縣榮河鎮(zhèn)謝村北400m處的黃河高階地后緣。泵的結(jié)構(gòu)形式為臥式雙進(jìn)口二級(jí)雙吸中開離心泵,泵的吸入口和吐出口均在泵體軸線下方,與軸心線垂直,該泵首級(jí)壓水室和次級(jí)葉輪之間的過渡流道內(nèi)的流動(dòng)復(fù)雜,流動(dòng)狀態(tài)的好壞直接影響到次級(jí)葉輪內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)及性能,因此在分析內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律基礎(chǔ)上進(jìn)行性能預(yù)測(cè)非常必要。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展,三維數(shù)值仿真技術(shù)因其具有設(shè)計(jì)周期短、費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì),越來(lái)越多的應(yīng)用于水泵的性能預(yù)測(cè)、分析泵內(nèi)壓力脈動(dòng)以及泵的開機(jī)過程瞬態(tài)水力特性研究等方面[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。本文以謝村泵站用泵為研究對(duì)象,對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了多工況全三維流場(chǎng)數(shù)值模擬,在對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,預(yù)測(cè)泵的性能,與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,從而為深入了解臥式雙進(jìn)口二級(jí)雙吸中開離心泵的內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律以及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。1計(jì)算方法1.1過流區(qū)域建模謝村站用泵DFMS600-93×2,包括吸入室、首級(jí)葉輪、首級(jí)壓水室、過渡流道、次級(jí)葉輪和次級(jí)壓水室,其首級(jí)為對(duì)稱布置的單吸式離心葉輪,次級(jí)為雙吸式離心葉輪。采用三維實(shí)體建模軟件對(duì)過流區(qū)域建立計(jì)算模型如圖1所示。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行離散,為了減少邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,泵進(jìn)出口計(jì)算區(qū)域進(jìn)行了延伸,最終生成網(wǎng)格如圖2所示,網(wǎng)格數(shù)約為6000000。1.2有限元離散求解的基本控制方程是時(shí)均N-S方程,采用SSTk-ε湍流模型封閉方程,選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。采用有限體積方法對(duì)方程組進(jìn)行離散,動(dòng)量方程的擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式,對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式,速度修正方程中壓力項(xiàng)采用動(dòng)量插值格式。當(dāng)殘差小于四階精度時(shí)認(rèn)為模擬收斂。1.3邊境條件根據(jù)不同計(jì)算工況,進(jìn)口給定流量條件,出口給定壓力邊界條件,壁面采用無(wú)滑移條件。2u3000模擬工況為了與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較,本文分別對(duì)流量為4131.9、4512.0、4916.1、5034.0、5221.0和5595.0m3/h共6個(gè)工況進(jìn)行了模擬,泵轉(zhuǎn)速為997r/min。2.1流道內(nèi)速度分布由于本文所研究泵為臥式雙進(jìn)口二級(jí)雙吸中開離心泵,該泵結(jié)構(gòu)具體對(duì)稱的特點(diǎn),因此本文選取一側(cè)對(duì)首級(jí)葉輪、首級(jí)壓水室和過渡流道進(jìn)行流場(chǎng)分析。為分析比較泵內(nèi)部流動(dòng)的特點(diǎn),分別選取工況1(Q=4131.9m3/h)、工況2(Q=5034.0m3/h)和工況3(Q=5595.0m3/h)進(jìn)行內(nèi)部流動(dòng)分析。圖3為3個(gè)工況下,首級(jí)葉輪壓水室、過渡流道截面的絕對(duì)速度矢量圖。從圖中可以看出,各工況下首級(jí)葉輪內(nèi)速度分布較均勻,且沿葉輪徑向方向,速度分布總體呈均勻增大趨勢(shì);而在過渡流道內(nèi)存在旋渦區(qū)域,隨著流量的增大旋渦區(qū)域增大。過渡流道內(nèi)的旋渦主要是由于過渡流道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所造成,如圖4為一側(cè)過渡流道結(jié)構(gòu)示意圖,水從首級(jí)壓水室進(jìn)入過渡流道的流動(dòng)轉(zhuǎn)向過程中,由于流動(dòng)慣性,在流道突然擴(kuò)大區(qū)域拐彎處產(chǎn)生了旋渦。隨著流量的增加流道內(nèi)速度增加,速度越大慣性越大,因此旋渦區(qū)域越大。圖5為3個(gè)工況下次級(jí)葉輪次級(jí)壓水室內(nèi)絕對(duì)速度矢量圖,從圖中可以看出,次級(jí)葉輪和壓水室內(nèi)流動(dòng)較均勻,過渡流道的旋渦區(qū)沒有擴(kuò)大到次級(jí)葉輪的進(jìn)口,對(duì)次級(jí)葉輪內(nèi)的流動(dòng)影響不大。2.2性能預(yù)測(cè)(1)出口壓力為泵出口p進(jìn)口泵的揚(yáng)程為單位重量的液體從泵進(jìn)口至泵出口的能量增值,通過式(1)計(jì)算:Η=Ρ出口-Ρ進(jìn)口ρg+h(1)H=P出口?P進(jìn)口ρg+h(1)式中:P出口為泵出口處的總壓值;P進(jìn)口為泵進(jìn)口處的總壓值;h為泵進(jìn)出口管軸心的垂直距離,本文中模擬的泵進(jìn)出口在同一水平面內(nèi),即h=0。(2)泵的水力效率及轉(zhuǎn)速角速度泵內(nèi)的損失分為機(jī)械損失、水力損失和容積損失3部分,通過泵內(nèi)部流動(dòng)分析僅能預(yù)測(cè)水力損失,對(duì)機(jī)械損失和容積損失目前估算損失的方法主要經(jīng)驗(yàn)公式,而依靠經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的損失本身就有一定的誤差,因此采用損失對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正還需進(jìn)一步深入研究。鑒于此,本文僅對(duì)水力效率進(jìn)行預(yù)測(cè),泵的水力效率通過式(2)計(jì)算:ηh=ρgQΗΜω×100%(2)其中:Q為流量;M為作用在葉輪前后蓋板的內(nèi)外表面及葉片上的力矩矢量之和;ω為葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度。根據(jù)式(1)和式(2)分別對(duì)計(jì)算工況進(jìn)行揚(yáng)程和水力效率的預(yù)測(cè),并與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比,其結(jié)果見表1,將其繪制曲線如圖6所示。從圖6(a)可以看出,數(shù)值模擬在小流量區(qū)預(yù)測(cè)揚(yáng)程高于測(cè)試揚(yáng)程,在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近,揚(yáng)程模擬較接近,而大流量區(qū)預(yù)測(cè)揚(yáng)程小于測(cè)試揚(yáng)程,而整個(gè)計(jì)算區(qū)域的揚(yáng)程預(yù)測(cè)誤差不超過3%。從圖6(b)可以看出,預(yù)測(cè)的水力效率與測(cè)試機(jī)組效率趨勢(shì)一致,在大流量工況下,效率依然沒有下降的趨勢(shì)。3過渡流道內(nèi)絕對(duì)速度分布預(yù)測(cè)分析通過對(duì)謝村站臥式雙進(jìn)口二級(jí)雙吸中開離心泵內(nèi)部流場(chǎng)模擬分析,可得以下結(jié)論。(1)首級(jí)葉輪壓水室、次級(jí)葉輪壓水室內(nèi)流動(dòng)較均勻,沒有發(fā)現(xiàn)影響性能的不利流動(dòng)結(jié)構(gòu),而過渡流道內(nèi)存在旋渦區(qū)域,但從次級(jí)葉輪內(nèi)絕對(duì)速度矢量圖看,該旋