離心泵全三維流場(chǎng)的大渦數(shù)值模擬

離心泵全三維流場(chǎng)的大渦數(shù)值模擬第34卷第4期2019年4月華南理工大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)JournalofSouthChinaUniversityofTechnology(NaturalScienceEdition)Vol.34No.4April2019文章編號(hào):10002565X(2019)0420191204離心泵全三維流場(chǎng)的大渦數(shù)值模擬黃 思 12(1. 華南理工大學(xué)工業(yè)裝備與控制工程學(xué)院 , 廣東.)摘 要:, 計(jì)算單級(jí)蝸殼式離. 發(fā)現(xiàn)泵葉輪內(nèi)各通道的流量、流速及 , 流動(dòng)呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱性 , 泵內(nèi)流動(dòng)旋渦一般出現(xiàn)在葉輪葉片工.文中還將泵性能的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值作了對(duì)比,驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的有效性.關(guān)鍵詞:大渦模擬;離心泵;三維計(jì)算;FLUENT軟件中圖分類號(hào):TH311.022文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A離心泵在農(nóng)業(yè)及民用等許多部門中有著廣泛的應(yīng)用. 實(shí)現(xiàn)離心泵的流動(dòng)數(shù)值模擬 , 對(duì)于泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)以達(dá)到增效節(jié)能的目的具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.離心泵系統(tǒng)一般導(dǎo)入管、葉輪及泵殼等元件.隨著近年流體力學(xué)計(jì)算技術(shù)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(shí) . 但離心泵湍流模擬多見(jiàn)于 κ2[128]雙方程湍流模型的使用對(duì)流動(dòng)中的較大尺度旋渦進(jìn)行

.

大渦模擬技術(shù)(LES) 是近年來(lái)才發(fā)展起來(lái)的湍流模型Navier2Stokes(N2S) 方程直接計(jì)算(DNS),

, 它對(duì)較小尺度旋渦進(jìn)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(jì)算出流動(dòng)的流模型

, 它不僅能夠像

κ2時(shí)均規(guī)律, 而且能夠較準(zhǔn)確地描述流動(dòng)中的不對(duì)稱特性 . 受計(jì)算機(jī)硬件的限制 , 以往大渦模擬常見(jiàn)于簡(jiǎn)單幾何體內(nèi)的三維湍流計(jì)算中,近年來(lái)一些研究者嘗試使用大渦模擬以較稀疏的計(jì)算網(wǎng)格應(yīng)[9210]用于工程計(jì)算中. 為此本文選取一低比轉(zhuǎn)速 (ns=45) 離心泵作為研究對(duì)象 , 以流動(dòng)軟件FLUENT為工具,使用大渦模擬湍流模型對(duì)包括導(dǎo)入管、葉輪及泵殼在內(nèi)的全流場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)工況下的三維計(jì)算.行網(wǎng)格過(guò)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(dòng)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(duì)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(jì)算公式為L(zhǎng)s=min( κd,CsV理論計(jì)算方法1.1 基本方程組大渦模擬的思想是在流動(dòng)區(qū)域內(nèi)對(duì) N2S方程進(jìn)收稿日期:2019204201作者簡(jiǎn)介:黃思(19622),男,博士,副教授,主要從事流體機(jī)械流動(dòng)理論與設(shè)計(jì)研究.E2mail:huangsi@(7)(FLUENT 軟件中取值 Cs=0.1, κ=0.4187).1.2 計(jì)算區(qū)域、網(wǎng)格的生成計(jì)算區(qū)域由離心泵導(dǎo)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(jì)算區(qū)域幾何體,再進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到如圖1所示的四面體網(wǎng)格單元.為降低計(jì)算成本,實(shí)現(xiàn)大渦模擬計(jì)算的實(shí)用化、工程化,本文具體計(jì)算時(shí)采用了與文獻(xiàn)華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第34卷[9210] 同等級(jí)網(wǎng)格尺寸的計(jì)算網(wǎng)格 . 四面體網(wǎng)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(guān)的松弛因子 , 當(dāng)?shù)?jì)算到一定階段時(shí)將松弛因子設(shè)為0.1 或更低. 圖2給出殘差隨松弛因子減小而收斂的過(guò)程 . 使用上述-4方法,可使所有參數(shù)的殘差控制在10以內(nèi).Fig.ononinthepump1.3 針對(duì)含有運(yùn)動(dòng)固體邊界的流動(dòng)問(wèn)題 ,FLUENT軟件中提供了多重參考坐標(biāo)系.具體計(jì)算時(shí)將葉輪區(qū)域設(shè)在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系,導(dǎo)入管和泵殼區(qū)域設(shè)在固定坐標(biāo)系.計(jì)算使用了如下的邊界條件:進(jìn)口邊界條件.按入口質(zhì)量流量值設(shè)定,具體數(shù)值由泵設(shè)計(jì)工況給出.入口湍流取值按水力直徑大小及湍流強(qiáng)度 IUa圖2計(jì)算殘差隨松弛因子變化而收斂的過(guò)程Fig.2Convergencyprocessofcomputationalresidualwiththevariationofrelaxationfactor計(jì)算結(jié)果及其分析圖3至圖7給出了流動(dòng)趨近穩(wěn)態(tài)后 (t=3600s) 的部分計(jì)算結(jié)果. 圖3給出泵全三維的絕對(duì)流速矢量圖 . 由圖可見(jiàn), 絕對(duì)流速大小在 40m/s 以內(nèi), 較高的流速出現(xiàn)在泵殼區(qū)域內(nèi). 為了了解泵內(nèi)出現(xiàn)旋渦、回流的情況 , 除了將絕對(duì)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(zhì)點(diǎn)跡線圖 . 由圖4可見(jiàn), 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(zhuǎn)面上的相對(duì)流速矢量圖 . 值得注意的是葉輪 6個(gè)通道內(nèi)部流場(chǎng)明顯地表現(xiàn)出不一致 (即非對(duì)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(dòng)充分發(fā)展條件,即假設(shè)所有變量的擴(kuò)散通量為0;3)壁面邊界條件.FLUENT軟件在應(yīng)用于大渦模擬的具體計(jì)算中,為使近壁面網(wǎng)格間距不受嚴(yán)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(wǎng)格單元的質(zhì)心處于邊界層的對(duì)流區(qū)域,其方程可表達(dá)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(shè)定計(jì)算中所使用的泵工況、流體物性等參數(shù)見(jiàn)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(zhuǎn)速-1泵比轉(zhuǎn)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(jì)算收斂性及控制方法求解旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系流動(dòng)問(wèn)題遇到的主要困難是動(dòng)[9]量方程的高度耦合,另外區(qū)域內(nèi)一般還存在回流,這種耦合及回流現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致求解過(guò)程的不穩(wěn)定.圖3 離心泵內(nèi)流場(chǎng)的絕對(duì)流速矢量圖Fig.3 Vectorsofabsoluteflowvelocityinsidethecentrifugalpump第4期黃 思等:離心泵全三維流場(chǎng)的大渦數(shù)值模擬 113增加. 在泵殼的一段范圍內(nèi) , 液流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成勢(shì)能使得泵級(jí)內(nèi)的靜壓值達(dá)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(duì)流速矢量圖Fig.5 Relativeflowvelocityoncentralsurfaceoftheimpeller鑒于此發(fā)現(xiàn), 將葉輪各通道所通過(guò)的流量值計(jì)算出并示于圖 6中. 由圖6可見(jiàn), 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?yàn)橥ǖ?2～5與泵殼壁面相距較近且離泵出口較遠(yuǎn) , 葉輪出流被泵殼壁面堵塞使過(guò)流量減少 . 相反, 與泵殼壁面相距較遠(yuǎn)或離泵出口較近的通道 , 流量及流速就比較高.由模擬流場(chǎng)的結(jié)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(yáng)程H.22H=dA-dA++AbAbpg2AaAa

ρg2(9)為驗(yàn)證本文計(jì)算結(jié)果的有效性 , 需要將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比尚缺乏同型號(hào)水泵的內(nèi)流場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) , 因此本文只進(jìn)行離心泵的外特性對(duì)比分析算出該泵的揚(yáng)程 H=35.8m, 接近產(chǎn)品樣本提供的數(shù)據(jù) (H=38m). 由此可見(jiàn)大渦模擬湍流模型模擬離心泵的全三維湍流場(chǎng)是現(xiàn)實(shí)可行的 .

.,

由于目前. 由式(9)本文使用3

結(jié)論通過(guò)使用FLUENT軟件的大渦模擬湍流模型模擬計(jì)算離心泵的全三維流場(chǎng) , 計(jì)算結(jié)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(duì)稱性 , 其中最高值與最低值相差數(shù)倍. 泵內(nèi)流動(dòng)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(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值作了對(duì)比 , 驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果是正確的 . 符號(hào)說(shuō)明:圖6 葉輪各個(gè)通道內(nèi)的流量分布Fig.6 Flowratedistributionineachchanneloftheimpeller—過(guò)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(qiáng)度,%;Ls—網(wǎng)格的混合長(zhǎng)度,m;2222Cs—Samagorin常數(shù);H—水泵的揚(yáng)程,m;k—湍流動(dòng)能,m/s;ns—離心泵比轉(zhuǎn)速;22圖7給出葉輪與泵殼中心面上的靜壓分布.由圖可見(jiàn),葉輪各通道內(nèi)靜壓場(chǎng)也表現(xiàn)出非對(duì)稱性;由于葉輪旋轉(zhuǎn)做功,葉輪內(nèi)的靜壓值隨流動(dòng)方向逐漸—網(wǎng)絡(luò)到壁面的最近距離,m;E—計(jì)算常數(shù);114p—靜壓,Pa;t—時(shí)間,s;Ua —截面a的平均流速,m/su 粘性摩擦速度,m/s; τ——計(jì)算單元的體積,m;y—網(wǎng)格點(diǎn)到壁面的距離,m;3華南理工大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)Sij(i,j=1,2,3) —旋轉(zhuǎn)張量第34卷馬福喜,李志偉.大渦模擬水環(huán)境中污染物團(tuán)的運(yùn)動(dòng)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(xué)報(bào),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(nèi)葉輪與蝸殼間耦合δ單位張量ij(i,j=1,2,3) —何坐標(biāo),m; ε—湍能耗散率,m2/s3;κ—VonKarman 常數(shù); 分量;μ—流體動(dòng)力粘度,kg/(m ?s); μt —亞網(wǎng)格湍流粘度 , ρ—流體密度,kg/m3;τ應(yīng)力張量ij(i,j=1,2,3) — 分量, kg/(m ?s);τ,w—唐輝,.[J].水泵技流動(dòng)的三維紊流數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),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(jì)算尾水管術(shù),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(chǎng)的全三維數(shù)值模擬[C]∥2002年FLUENT中國(guó)用戶年會(huì)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(jì)算尾水管內(nèi)非定周期性湍流 [J]. 水利學(xué)報(bào),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(tuán)的運(yùn)動(dòng)內(nèi)非定常周期性湍流[J].水利學(xué)報(bào),2001(8):79284.YangJian2ming,LiuWen2jun,WuYu2lin.Thelargeeddysimulationmethodforcomputationof32Dunsteadyperi2odicturbulentflowindrafttube[J].JournalofHydraulicEngineering,2001(8):79284.規(guī)律[J]. 水利學(xué)報(bào),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