基于cfd的減壓塔底泵流動(dòng)分析

基于cfd的減壓塔底泵流動(dòng)分析

泵不僅產(chǎn)生靜態(tài)壓力分量，而且產(chǎn)生動(dòng)態(tài)壓力分量，即壓力變量。壓力變量像交流信號一樣疊加在靜態(tài)壓力分量上。隨著水流動(dòng)力學(xué)計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，對不同泵的內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并取得了一些成果。叢國輝等人分析了雙吸離失速泵界面中的非定常流動(dòng)特征。keers通過實(shí)驗(yàn)分析和驗(yàn)證了低比旋轉(zhuǎn)離心帶的螺線管的非定常流動(dòng)。結(jié)果表明，數(shù)值模擬方法可以成功地在大流量范圍內(nèi)獲得葉片的靈活數(shù)據(jù)，并通過模型和數(shù)值模擬方法進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，數(shù)值模擬方法可以在很大的流量范圍內(nèi)成功獲得葉片的動(dòng)態(tài)平均值，從而驗(yàn)證通過cfd方法研究離心壓力動(dòng)脈特性的可行性。關(guān)于減壓塔底泵等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的泵沒有多少研究壓力動(dòng)脈。由于減壓塔底泵的內(nèi)部非對稱結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)葉片和蝸殼之間的相互作用導(dǎo)致無序的流動(dòng)，從而影響泵的效率、振動(dòng)和噪聲。因此，從提高泵的可靠性的角度研究復(fù)雜泵的動(dòng)脈。采用實(shí)驗(yàn)手段全面監(jiān)測泵內(nèi)壓力脈動(dòng)成本較高,耗時(shí)較長,因此本研究以某500萬噸煉油裝置減壓塔底泵為計(jì)算對象,利用CFD技術(shù),對不同工況下首級和次級蝸殼多個(gè)位置監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行三維非定常數(shù)值模擬,以揭示泵的壓力脈動(dòng)特性,為泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考.1泵的全流場設(shè)計(jì)計(jì)算模型中減壓塔底泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜,分為2級:首級是雙吸雙蝸殼,次級是單吸單蝸殼.設(shè)計(jì)流量Q=406m3/h,設(shè)計(jì)揚(yáng)程Hd=280m,轉(zhuǎn)速n=2960r/min,泵的全流場三維造型如圖1所示.由于蝸殼流道的斷面高度相對較大,而非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格具有較好的適應(yīng)性,因此采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分,并對蝸殼隔舌、葉輪葉片進(jìn)口等部位進(jìn)行局部加密.其中首級蝸殼有7.05582×105個(gè)網(wǎng)格單元,次級蝸殼有8.05663×105個(gè)網(wǎng)格單元.2初始結(jié)果及模擬過程流場的數(shù)值計(jì)算分為2部分.首先是泵的定常計(jì)算.其邊界條件設(shè)置為:進(jìn)口邊界為質(zhì)量流動(dòng),出口邊界為壓力出口,固體壁面取無滑移邊界條件,近壁處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法.同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定壁面粗糙度,葉輪與蝸殼采用“凍結(jié)轉(zhuǎn)子法”處理.其次是非定常計(jì)算,非定常計(jì)算時(shí)以定常計(jì)算結(jié)果作為初始條件,葉輪與蝸殼間的耦合使用“瞬態(tài)轉(zhuǎn)子-定子法”.葉輪旋轉(zhuǎn)一周為一個(gè)周期(T),對流場每隔5°計(jì)算一個(gè)時(shí)間點(diǎn),即每個(gè)時(shí)間步長為0.282×10-3s.葉輪旋轉(zhuǎn)一圈共72個(gè)時(shí)間步長,每個(gè)時(shí)間步長迭代50次.為得到較為穩(wěn)定的結(jié)果,非定常計(jì)算收斂后,取一個(gè)周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓力脈動(dòng)分析.在數(shù)值模擬過程中,計(jì)算工況分別為0.6Q,1.0Q,1.4Q(Q為設(shè)計(jì)流量),計(jì)算精度為1×10-5.由于首級蝸殼為雙吸雙蝸殼的對稱結(jié)構(gòu),因此僅取首級蝸殼相對稱的一半進(jìn)行監(jiān)測,即可完整監(jiān)測首級蝸殼內(nèi)的壓力脈動(dòng),每隔45°取一個(gè)監(jiān)測點(diǎn);次級蝸殼為單吸單蝸殼非對稱結(jié)構(gòu),在次級蝸殼上每隔90°取一個(gè)監(jiān)測點(diǎn),圖2為選取的監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖.3計(jì)算與分析3.1中心監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域?yàn)榱硕攘勘脙?nèi)的壓力脈動(dòng),特別引入壓力脈動(dòng)參數(shù)cp=Δp/(0.5ρu22)?cp=Δp/(0.5ρu22)?式中:Δp為壓力及其平均值之差;ρ為介質(zhì)密度;u2為葉輪出口圓周速度.葉輪葉片數(shù)z=6,轉(zhuǎn)速n=2960r/min,葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率fn=n/60=49.33Hz,葉片通過頻率f=zfn=296Hz.由圖3設(shè)計(jì)工況下首級蝸殼處監(jiān)測點(diǎn)S1～S4的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖可知:各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)波形明顯,具有一定的周期性,在一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)6次壓力波動(dòng),S1點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值較大.由圖4設(shè)計(jì)工況下S1～S4監(jiān)測點(diǎn)對應(yīng)的壓力脈動(dòng)頻域圖可知:4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)的頻率都以葉片通過的頻率為主,監(jiān)測點(diǎn)S1的脈動(dòng)幅值較大,沿蝸殼流道螺旋線方向,監(jiān)測點(diǎn)S2,S3,S4的脈動(dòng)幅值依次減小,可見首級蝸殼內(nèi)存在明顯的壓力脈動(dòng).由圖5不同工況下S0監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖可知:各工況下壓力脈動(dòng)頻率以葉片通過頻率為主,設(shè)計(jì)工況下隔舌處壓力脈動(dòng)幅值最小,小流量工況下壓力脈動(dòng)幅值最大,且同一工況下隔舌處脈動(dòng)幅度一般大于其他監(jiān)測點(diǎn),說明首級蝸殼隔舌位置對流體的影響比其他位置要大.由圖6不同工況下S1～S4監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖可知:非設(shè)計(jì)工況下壓力脈動(dòng)的頻率都以葉片通過的頻率為主,與設(shè)計(jì)工況類似,且各工況中監(jiān)測點(diǎn)S1的脈動(dòng)幅值較大;沿蝸殼流道螺旋線方向,監(jiān)測點(diǎn)S2,S3和S4的脈動(dòng)幅值依次減小.這是因?yàn)楫?dāng)葉輪出口速度通過隔舌時(shí)矢量方向突變產(chǎn)生壓力脈動(dòng),且這種壓力脈動(dòng)在葉輪旋轉(zhuǎn)方向上逐漸衰退,導(dǎo)致壓力脈動(dòng)沿蝸殼流道螺旋方向上的變化逐漸減弱;相同監(jiān)測點(diǎn)在不同工況下比較,設(shè)計(jì)工況下的脈動(dòng)幅值相對較小,非設(shè)計(jì)工況下脈動(dòng)幅值較大,說明設(shè)計(jì)工況為最優(yōu)工況.且各工況相比,小流量下壓力脈動(dòng)幅值最大,這是因?yàn)樾×髁抗r下,泵內(nèi)流動(dòng)表現(xiàn)出更為明顯的湍流不規(guī)則運(yùn)動(dòng).3.2中心及級蝸殼內(nèi)的壓力脈動(dòng)幅值由圖7設(shè)計(jì)工況下C1～C4監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖可知:監(jiān)測點(diǎn)C1的脈動(dòng)幅值較大,且沿蝸殼流道螺旋線方向各監(jiān)測點(diǎn)脈動(dòng)幅值逐漸減小,最大頻率均以葉片通過的頻率為主;設(shè)計(jì)工況下監(jiān)測點(diǎn)C1處的壓力脈動(dòng)最大幅值約為首級蝸殼流道內(nèi)同位置監(jiān)測點(diǎn)的2.23倍,說明次級蝸殼內(nèi)的壓力脈動(dòng)比首級的要明顯.由圖8不同工況下C0監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖可知:與首級蝸殼隔舌處脈動(dòng)幅值分布情況類似,設(shè)計(jì)工況下隔舌處脈動(dòng)幅值最小,小流量工況下脈動(dòng)幅值最大約為設(shè)計(jì)流量的2.63倍;相同流量下隔舌處C0監(jiān)測點(diǎn)的脈動(dòng)幅度一般大于其他監(jiān)測點(diǎn)的,說明次級蝸殼隔舌位置對流體的影響比其他位置要大.由圖9不同工況下C1～C4監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖可知:同一流量下,與設(shè)計(jì)工況類似,非設(shè)計(jì)工況下壓力脈動(dòng)的頻率都以葉片通過的頻率為主,且各工況中監(jiān)測點(diǎn)C1的脈動(dòng)幅值較大,沿蝸殼流道螺旋線方向監(jiān)測點(diǎn)C2,C3,C4的脈動(dòng)幅值依次減小;不同工況的相同監(jiān)測點(diǎn)比較,設(shè)計(jì)工況下的脈動(dòng)幅值相對較小,非設(shè)計(jì)工況下脈動(dòng)幅值較大,說明設(shè)計(jì)工況為最優(yōu)工況;且各工況相比,小流量下壓力脈動(dòng)幅值最大.3.3cfd數(shù)值計(jì)算圖10和圖11分別給出了試驗(yàn)和數(shù)值模擬的流量-揚(yáng)程(H)曲線與流量-效率(η)曲線.從圖中可以看出:由于數(shù)值模擬時(shí)未考慮減壓塔底泵的吸水室水力損失、軸承損失等因素,因此數(shù)值模擬值普遍高于試驗(yàn)值,但是試驗(yàn)性能曲線和數(shù)值模擬預(yù)測曲線比較一致,可見CFD能較準(zhǔn)確地預(yù)測該泵的外特性.采用CFD數(shù)值計(jì)算研究壓力脈動(dòng)并進(jìn)行驗(yàn)證將是下一步研究的內(nèi)容.4內(nèi)壓力脈動(dòng)a.采用數(shù)值模擬方法對復(fù)雜泵體內(nèi)部流場進(jìn)行計(jì)算是可行的.b.蝸殼內(nèi)存在近似周期性變化的壓力脈動(dòng),且次級蝸殼內(nèi)的壓力脈動(dòng)比首級的要明顯,這是由于次級結(jié)構(gòu)的