多級離心泵級配電網(wǎng)的流固耦合分析

多級離心泵級配電網(wǎng)的流固耦合分析

0口環(huán)間隙的影響多段式離心的各種間隙水域和葉片在輸送介質(zhì)壓力下變形，導致泵性能參數(shù)變化。流固耦合力學的重要特征是固體和流體兩種介質(zhì)之間的交互作用(fluid-solidinteraction):在流體載荷作用下,變形固體會產(chǎn)生變形或運動;同時,這種變形以及運動又會導致流場發(fā)生變化,進而改變流場內(nèi)流體載荷的大小及分布等。目前存在的商業(yè)軟件中,流固耦合分析有3不同的方法:直接耦合、順序耦合和同步求解?？诃h(huán)間隙對泵性能影響主要體現(xiàn)在兩個方面:①隨著口環(huán)間隙的增大,離心泵內(nèi)部泄漏量也逐漸變大,容積損失功率增加,容積效率降低;②口環(huán)間隙增大可能導致在泵腔內(nèi)葉輪前后蓋板處旋轉(zhuǎn)流態(tài)的變化,導致葉輪蓋板表面液體摩擦損失功率增大,也就是葉輪圓盤摩擦損失增大。為此,采用CFD及流固耦合技術(shù)對其效率等性能參數(shù)及葉輪應(yīng)變進行預測分析。1計算模型和網(wǎng)格的劃分1.1泵流固耦合求解泵的主要技術(shù)指標:流量Q=280m3/h,揚程H=1520m,轉(zhuǎn)速2980r/min。根據(jù)設(shè)計參數(shù)應(yīng)設(shè)計成為8級泵,且單級揚程最低不低于195m。泵流固耦合求解涉及到流場和結(jié)構(gòu)場兩方面。本文建立的計算中,流場為首級泵內(nèi)部全三維流場,包括葉輪流道的流體區(qū)域和導葉流道的流體區(qū)域;結(jié)構(gòu)場主要是葉輪轉(zhuǎn)子,包括首級葉輪和與葉輪相連接的泵軸。考慮耦合分析時,只考慮軸、葉輪,其他結(jié)構(gòu)在本分析中將視為無影響因素而忽略。1.2材料屬性的確定泵葉輪結(jié)構(gòu)的材料為ZG1Cr13Ni,軸的材料為2Cr13,均執(zhí)行ASMEA217標準。為使模擬變形效果比較明顯,在選取材料屬性時使用了材料屬性稍柔性的結(jié)構(gòu)鋼來替代泵葉輪及軸的材料進行分析,以觀察到更為明顯的變形情況。具體材料特性參數(shù),如表1所示。2流固耦合單元葉輪選擇周期為0.020134228s,取每轉(zhuǎn)18°為1步,1個周期內(nèi)共有20個時間步。為了能夠模擬比較穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)工況,一般取葉輪旋轉(zhuǎn)5～7周即可。本文選中取葉輪旋轉(zhuǎn)了7周,共140步,總旋轉(zhuǎn)時間為0.140938056s,每一步時間為0.0010067114s。選取葉輪葉片為流固耦合交界面。耦合單元的網(wǎng)格類型設(shè)置為動網(wǎng)格。本文在此部分的不匹配比例均在0.0008%以下,不匹配節(jié)點No.ofUn-MappedNodes數(shù)量都達到了0,說明該流固耦合計算達到了協(xié)調(diào)統(tǒng)一。選擇葉輪旋轉(zhuǎn)的第7周進行分析:瞬時流場求解采用SecondOrderBackwardEuler格式,每個計算時間點上流場計算殘差收斂目標為10-5,耦合計算數(shù)據(jù)傳遞過程的松弛因子默認為0.75,收斂標準為10-3。3結(jié)果與分析3.1口環(huán)間隙水體壓力及流場分析圖1分別為考慮口環(huán)間隙水體以及葉輪葉片變形、僅考慮口環(huán)間隙水體和不考慮口環(huán)間隙水體及葉輪葉片形變3種情況下葉輪及導葉水體內(nèi)在t=0.1S時瞬態(tài)內(nèi)部流場壓力分布。對比圖1(a)和(b),流場壓力分布有細微變化,流場不同處主要出現(xiàn)在導葉內(nèi)水體壓力分布及葉輪水體比較靠外部邊緣水體壓力分布;而在葉輪水體靠近中心位置處,壓力分布兩種情況比較接近,說明葉輪葉片形變對流場域影響主要集中在葉輪葉片的邊緣葉片位置。從圖1(c)中看出,流場與考慮口環(huán)間隙水體的兩種情況區(qū)別比較明顯,這與選取的口環(huán)間隙尺寸有很大關(guān)系。本文選取了比較大尺寸的口環(huán)間隙,包括葉輪前口環(huán)間隙和后口環(huán)間隙兩部分水體,說明口環(huán)間隙水體及葉輪與導葉間隙、葉輪與前蓋板間隙間水體對泵性能的影響是比較客觀的,圓盤阻力損失在大口環(huán)間隙的情況下影響顯著。因此,在實際加工中,應(yīng)盡量避免大尺寸口環(huán)間隙的情況。葉輪及導葉水體內(nèi)在t=0.1s時瞬態(tài)內(nèi)部流場速度分布如圖2所示。從圖2來看,圖2(a)和(b)相對不考慮間隙及葉片變形的(c)而言,在葉輪與導葉相接觸位置,速度均略降低。由壓力分布圖和速度分布圖可知,口環(huán)間隙水體以及葉輪與導葉間隙水體、葉輪與前蓋板間隙水體影響了泵進出口壓力及速度大小。下面將從分析的數(shù)據(jù)曲線來詳細分析影響大小。3.2口環(huán)間隙對泵功率的影響針對考慮耦合及間隙水體、僅考慮間隙水體和不考慮耦合和間隙水體3種情況,現(xiàn)在分布稱為方案1、方案2和方案3。額定工況3種方案瞬態(tài)揚程性能對比如圖3所示。由圖3可以看出,相比方案3,方案1和方案2揚程均有大約5～6m降低,而方案1相對方案2揚程也有微小降低;但是從宏觀上講基本不大,也就是說葉片形變對揚程的影響很小,可以忽略。而間隙水體對揚程影響比較宏觀,在實際中可以通過減小口環(huán)間隙的辦法來對泵的揚程進行微調(diào)提高。額定工況3種方案瞬態(tài)功率對比如圖4所示。通過圖4可以發(fā)現(xiàn),在考慮間隙水體情況下,泵的額定功率相對升高,說明泄露以及圓盤摩擦阻力對泵功率有較明顯影響,降低口環(huán)間隙,能夠減少這部分的功率損失。圖5給出了3種方案下得瞬態(tài)效率對比,不考慮間隙水體及耦合葉片變形作用下,泵的效率可以達到78%左右;但是在考慮間隙水體時,泵效率立刻降低到了73.6%作用。而葉片形變對效率影響相比方案2只有0.4%左右的降低,說明圓盤摩擦阻力及泄露對泵效率有很大影響。從以上對比分析說明,實際中應(yīng)盡量避免大口環(huán)間隙的情況,當然并不是說口環(huán)間隙越小越好。口環(huán)間隙小,不僅要求更高的加工工藝,也可能造成葉輪與口環(huán)之間磨損加大等情況。4口環(huán)以及前板式間隙對泵口壓的影響采用ANSYSWorkbench平臺的流固耦合技術(shù),添加口環(huán)間隙水體影響因素、葉片結(jié)構(gòu)變形因素,對泵首級單級進行分析,分析在這兩種因素影響小泵性能。結(jié)果表明,口環(huán)以及葉輪與導