離心泵全三維流場的大渦數(shù)值模擬

離心泵全三維流場的大渦數(shù)值模擬第34卷第4期2019年4月華南理工大學學報 (自然科學版)JournalofSouthChinaUniversityofTechnology(NaturalScienceEdition)Vol.34No.4April2019文章編號:10002565X(2019)0420191204離心泵全三維流場的大渦數(shù)值模擬黃 思 12(1. 華南理工大學工業(yè)裝備與控制工程學院 , 廣東.)摘 要:, 計算單級蝸殼式離. 發(fā)現(xiàn)泵葉輪內各通道的流量、流速及 , 流動呈現(xiàn)明顯的非對稱性 , 泵內流動旋渦一般出現(xiàn)在葉輪葉片工.文中還將泵性能的預測值與實測值作了對比,驗證了計算結果的有效性.關鍵詞:大渦模擬;離心泵;三維計算;FLUENT軟件中圖分類號:TH311.022文獻標識碼:A離心泵在農業(yè)及民用等許多部門中有著廣泛的應用. 實現(xiàn)離心泵的流動數(shù)值模擬 , 對于泵的優(yōu)化設計以達到增效節(jié)能的目的具有重要的現(xiàn)實意義.離心泵系統(tǒng)一般導入管、葉輪及泵殼等元件.隨著近年流體力學計算技術的迅速發(fā)展,離心泵的三維數(shù)值ε等模擬已成為現(xiàn)實 . 但離心泵湍流模擬多見于 κ2[128]雙方程湍流模型的使用對流動中的較大尺度旋渦進行

.

大渦模擬技術(LES) 是近年來才發(fā)展起來的湍流模型Navier2Stokes(N2S) 方程直接計算(DNS),

, 它對較小尺度旋渦進行平均近似處理

(RANS).

研究表明大渦模擬要優(yōu)于通常的

κ2ε湍ε模型那樣計算出流動的流模型

, 它不僅能夠像

κ2時均規(guī)律, 而且能夠較準確地描述流動中的不對稱特性 . 受計算機硬件的限制 , 以往大渦模擬常見于簡單幾何體內的三維湍流計算中,近年來一些研究者嘗試使用大渦模擬以較稀疏的計算網格應[9210]用于工程計算中. 為此本文選取一低比轉速 (ns=45) 離心泵作為研究對象 , 以流動軟件FLUENT為工具,使用大渦模擬湍流模型對包括導入管、葉輪及泵殼在內的全流場進行設計工況下的三維計算.行網格過濾, 從而得到較大尺度旋渦的基本方程組 .連續(xù)性方程(ρ(1)+u=0i)9t9xi大渦的動量方程組 (ρ)(ρ)u+u=iiuj9t9xj-++,i,j=1,2,3(2)9xi9x9xj9

目前使用最廣泛的模型方程為-

τμtSij+

τ(3)ij=-2kk

δij3其中Siji(4)Sij=+

定義為29xj9

對μt

使用

Samagorin2Lilly

模型,

此模型方程為2μt=

ρ(5)LsS

式中S=SijSij1/3--(6))Ls 使用的計算公式為Ls=min( κd,CsV理論計算方法1.1 基本方程組大渦模擬的思想是在流動區(qū)域內對 N2S方程進收稿日期:2019204201作者簡介:黃思(19622),男,博士,副教授,主要從事流體機械流動理論與設計研究.E2mail:huangsi@(7)(FLUENT 軟件中取值 Cs=0.1, κ=0.4187).1.2 計算區(qū)域、網格的生成計算區(qū)域由離心泵導入管、葉輪及泵殼組成 . 使用FLUENT軟件中的前處理程序 Gambit生成計算區(qū)域幾何體,再進行網格劃分,得到如圖1所示的四面體網格單元.為降低計算成本,實現(xiàn)大渦模擬計算的實用化、工程化,本文具體計算時采用了與文獻華南理工大學學報(自然科學版)第34卷[9210] 同等級網格尺寸的計算網格 . 四面體網格單元的數(shù)目如下:入水管29098單元; 葉輪76853單元; 泵殼95017單元.為此采取減小與速度壓力相關的松弛因子 , 當?shù)嬎愕揭欢A段時將松弛因子設為0.1 或更低. 圖2給出殘差隨松弛因子減小而收斂的過程 . 使用上述-4方法,可使所有參數(shù)的殘差控制在10以內.Fig.ononinthepump1.3 針對含有運動固體邊界的流動問題 ,FLUENT軟件中提供了多重參考坐標系.具體計算時將葉輪區(qū)域設在運動坐標系,導入管和泵殼區(qū)域設在固定坐標系.計算使用了如下的邊界條件:進口邊界條件.按入口質量流量值設定,具體數(shù)值由泵設計工況給出.入口湍流取值按水力直徑大小及湍流強度 IUa圖2計算殘差隨松弛因子變化而收斂的過程Fig.2Convergencyprocessofcomputationalresidualwiththevariationofrelaxationfactor計算結果及其分析圖3至圖7給出了流動趨近穩(wěn)態(tài)后 (t=3600s) 的部分計算結果. 圖3給出泵全三維的絕對流速矢量圖 . 由圖可見, 絕對流速大小在 40m/s 以內, 較高的流速出現(xiàn)在泵殼區(qū)域內. 為了了解泵內出現(xiàn)旋渦、回流的情況 , 除了將絕對流速矢量圖作局部放大觀察外 ,也可以觀察如圖 4所示的流體質點跡線圖 . 由圖4可見, 較大尺度旋渦一般出現(xiàn)在葉輪葉片工作面上.圖5給出的是葉輪中心回轉面上的相對流速矢量圖 . 值得注意的是葉輪 6個通道內部流場明顯地表現(xiàn)出不一致 (即非對稱性), 靠近泵出口通道的流速明顯高于其它通道的流速 , 其中最靠近泵出口的通道流速最高.k 給定(I 取5%);3出口邊界條件.取流動充分發(fā)展條件,即假設所有變量的擴散通量為0;3)壁面邊界條件.FLUENT軟件在應用于大渦模擬的具體計算中,為使近壁面網格間距不受嚴格的限制,使用了如下的壁面近似方法,即假定與壁面相鄰的網格單元的質心處于邊界層的對流區(qū)域,其方程可表達為ρu(8)=ln τκuμτρ式中,E 為常數(shù)9.793,u. τ=w/1.4 流體物性及泵操作工況參數(shù)設定計算中所使用的泵工況、流體物性等參數(shù)見表 1.表1 泵工況參數(shù)及流體物性參數(shù)Table1 Parametersofpumpoperatingpointandfluidproperties泵流量-1泵轉速-1泵比轉速s泵入口操作壓力p/Pa流體密度流體粘度 μρ/(kg ?m-3)/(kg ?(m?s)-1)998.20.001003/(kg ?s)/(r ?min)551450451013251.5 計算收斂性及控制方法求解旋轉坐標系流動問題遇到的主要困難是動[9]量方程的高度耦合,另外區(qū)域內一般還存在回流,這種耦合及回流現(xiàn)象會導致求解過程的不穩(wěn)定.圖3 離心泵內流場的絕對流速矢量圖Fig.3 Vectorsofabsoluteflowvelocityinsidethecentrifugalpump第4期黃 思等:離心泵全三維流場的大渦數(shù)值模擬 113增加. 在泵殼的一段范圍內 , 液流的動能轉換成勢能使得泵級內的靜壓值達到最大 . 后因沿程出現(xiàn)的水力損失使靜壓值有所降低.Fig.4ofthepu圖7 離心泵中心面上的靜壓分布Fig.7 Staticpressuredistributiononcentralsurfaceofthepump圖5 葉輪中心面上的相對流速矢量圖Fig.5 Relativeflowvelocityoncentralsurfaceoftheimpeller鑒于此發(fā)現(xiàn), 將葉輪各通道所通過的流量值計算出并示于圖 6中. 由圖6可見, 最高流量值(通道1) 與最低流量值(通道3) 相差幾倍. 上述現(xiàn)象的原因是因為通道 2～5與泵殼壁面相距較近且離泵出口較遠 , 葉輪出流被泵殼壁面堵塞使過流量減少 . 相反, 與泵殼壁面相距較遠或離泵出口較近的通道 , 流量及流速就比較高.由模擬流場的結果可算出泵出口位置 b到入口位置 a的總壓差即為該水泵的揚程H.22H=dA-dA++AbAbpg2AaAa

ρg2(9)為驗證本文計算結果的有效性 , 需要將計算結果與實測結果進行對比尚缺乏同型號水泵的內流場實測數(shù)據(jù) , 因此本文只進行離心泵的外特性對比分析算出該泵的揚程 H=35.8m, 接近產品樣本提供的數(shù)據(jù) (H=38m). 由此可見大渦模擬湍流模型模擬離心泵的全三維湍流場是現(xiàn)實可行的 .

.,

由于目前. 由式(9)本文使用3

結論通過使用FLUENT軟件的大渦模擬湍流模型模擬計算離心泵的全三維流場 , 計算結果表明泵葉輪各通道的流量、流速及壓力分布等表現(xiàn)出明顯的非對稱性 , 其中最高值與最低值相差數(shù)倍. 泵內流動大尺度旋渦一般出現(xiàn)在葉輪葉片工作面上 . 本文還將泵性能的預測值與實測值作了對比 , 驗證計算結果是正確的 . 符號說明:圖6 葉輪各個通道內的流量分布Fig.6 Flowratedistributionineachchanneloftheimpeller—過流斷面的面積,m;Aa—截面a的面積,m;Ab—截面b的面積,m;g—重力加速度,m/s;I—湍流強度,%;Ls—網格的混合長度,m;2222Cs—Samagorin常數(shù);H—水泵的揚程,m;k—湍流動能,m/s;ns—離心泵比轉速;22圖7給出葉輪與泵殼中心面上的靜壓分布.由圖可見,葉輪各通道內靜壓場也表現(xiàn)出非對稱性;由于葉輪旋轉做功,葉輪內的靜壓值隨流動方向逐漸—網絡到壁面的最近距離,m;E—計算常數(shù);114p—靜壓,Pa;t—時間,s;Ua —截面a的平均流速,m/su 粘性摩擦速度,m/s; τ——計算單元的體積,m;y—網格點到壁面的距離,m;3華南理工大學學報 (自然科學版)Sij(i,j=1,2,3) —旋轉張量第34卷馬福喜,李志偉.大渦模擬水環(huán)境中污染物團的運動分量,m/s2;ui,uj(i,j=1,2,3)

—流速分

量,m/s;xi,xj(i,j=1,2,3)

—空間幾規(guī)律[J]. 水利學報,2002(9):55260.MaFu2xi,LiZhi2wei.Largeeddysimulationofpollutantmovementinwater[J].JournalofHydraulicEngineer2ing,2002(9):55260.MajidK.Numericalstudyofunsteadyflowinacentrifugalpump[J].JournalofTurbomachinery,2019,127(2):3632.[7GtoA.forpumpsbasedon3CFD,[J].JournalonsoftheASME,2002,.郭鵬程,羅興奇,劉勝柱.離心泵內葉輪與蝸殼間耦合δ單位張量ij(i,j=1,2,3) —何坐標,m; ε—湍能耗散率,m2/s3;κ—VonKarman 常數(shù); 分量;μ—流體動力粘度,kg/(m ?s); μt —亞網格湍流粘度 , ρ—流體密度,kg/m3;τ應力張量ij(i,j=1,2,3) — 分量, kg/(m ?s);τ,w—唐輝,.[J].水泵技流動的三維紊流數(shù)值模擬[J].農業(yè)工程學報,2019,21(8):125.GuoPeng2cheng,LuoXing2qi,LiuSheng2zhu.Numericalsimulationof3Dturbulentflowfieldsthroughacentrifugalpumpincludingimpellerandvolutecasing[J].Transac2tionsoftheChineseSocietyofAgricultureEngineering,2019,21(8):125.楊建明,劉文俊,吳玉林.用大渦模擬方法計算尾水管術,2002(3):328.TangHui,HeFeng.Numericalsimulationofflowsinacentrifugalpump[J].PumpTechnology,2002(3):328.[2] 王彥輝, 康志忠, 徐鴻, 等.32Sh219離心泵流場的全三維數(shù)值模擬[C]∥2002年FLUENT中國用戶年會論文集 . 上海:[s.n.],54260.YanJ,SmithDG.CFDsimulationof32Dimensionalflowinturbomachineryapplications[R] ∥[s.l.]:Turboma2chineryFlowPrediction Ⅷ.ERCOFTACWorkshop,2000:342 38.楊建明,劉文俊,吳玉林.用大渦模擬方法計算尾水管內非定周期性湍流 [J]. 水利學報,2001(8):79284.YangJian2ming,Liuwen2jun,WuYu2lin.Thelargeeddysimulationmothodforcomputationof32Dunsteadyperi2odicturbulentflowindrafttube[J].JournalofHydraulicEngineering,2001(8):79284.馬福喜,李志偉.大渦模擬水環(huán)境中污染物團的運動內非定常周期性湍流[J].水利學報,2001(8):79284.YangJian2ming,LiuWen2jun,WuYu2lin.Thelargeeddysimulationmethodforcomputationof32Dunsteadyperi2odicturbulentflowindrafttube[J].JournalofHydraulicEngineering,2001(8):79284.規(guī)律[J]. 水利學報,2002(9):55260.MaFu2xi,LiZhi2wei.Largeeddysimulationofpollutantmovementinwater[J].JournalofHydraulicEngineer2ing,2002(9):55260.Large2EddyNumericalSimulationofThree2DimensionFlowinCentrifugalPumpHuangSi WuYu2lin12(1.CollegeofIndustrialEquipmentandControlEngineering,SouthChinaUniv.ofTech.,Guangzhou510640,Guangdong,China;Dept.ofThermalEngineering,TsinghuaUniv.,Beijing100084,China)Abstract:Athree2dimensionturbulent