雙級軸流泵三維流場數(shù)值模擬

雙級軸流泵三維流場數(shù)值模擬

1雙級軸流泵模型雙級軸流泵可用作吸水器。它的特點是電壓縮式濾波器，具有低揚程和高流量。一般來說，在需要穩(wěn)定工作的情況下，功率大，對速度要求低的情況沒有高。其結(jié)構(gòu)由前導流帽,首級轉(zhuǎn)輪和次級轉(zhuǎn)輪,以及后導流帽組成。水流從軸向進入,依次經(jīng)過首級轉(zhuǎn)輪和次級轉(zhuǎn)輪,流過導葉,從后導流帽處沿軸向出流。所計算的雙級軸流泵模型各部件的葉片數(shù)分別為:首級葉輪4個,次級葉輪8個,固定導葉9個。這樣的葉片數(shù)匹配導致其內(nèi)部流動狀態(tài)極為復雜,單流道內(nèi)部流動模擬難以反應其實際流動狀態(tài)。在此,采用標準k-ε紊流模型和SIMPLEC算法模擬計算雙級軸流泵內(nèi)部從進口到后導流帽出口的360°全流場,給出其速度和壓力分布情況。并且,在模擬計算的基礎上,對裝置的性能進行了預估,給出其流量～效率曲線和流量～揚程曲線。2計算模型和邊界條件2.1頓流體的動力學方程假設轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速定常,由Boussrnesq渦粘性假設可以得出絕對坐標系下不可壓牛頓流體的連續(xù)性方程和動量方程。連續(xù)性方程:動量方程:其中,ρ為流體密度;xj(j=1,2,3)分別代表x,y和z坐標;ui和uj分別代表絕對速度分量u,v和w;p*為靜壓;μe為有效粘性系數(shù),它等于分子粘性系數(shù)μ和紊動粘性系數(shù)μT之和。2.2特定相關系數(shù)的取值為了確定有效粘性系數(shù)μe,采用標準k-ε紊流模型來封閉方程組,分別定義紊動粘性系數(shù)μT,紊流脈動動能k和紊流脈動動能耗散率ε的表達式。紊流模型方程中的其它相關系數(shù)取值分別為:cμ=0.09,c1=1.44,c2=1.92,σk=1.0,σε=1.3。在差分格式中,壓力項采用二階中心差分格式,速度項、紊動能項和紊粘系數(shù)項均采用二階迎風差分格式。求解過程中各迭代松弛系數(shù)分別為:壓力項0.3,速度項0.7,紊動能項和紊粘系數(shù)項0.8。2.3均勻入流條件噴水推進器為水平放置,在葉輪和葉輪室之間設置縫隙網(wǎng)格,葉輪轉(zhuǎn)動,而葉輪室外緣不動。進口采用均勻入流條件,在前導流帽前10cm處,為均勻入流面,沿軸向入流,給定軸向速度。出口采用第二類邊界條件,速度分量、紊動能kout和耗散率εout的梯度設為零。在臨近固壁的區(qū)域采用壁面函數(shù),固壁面采用無滑移邊界條件。2.4效率預測模型在模擬計算三維紊動流場的基礎上,通過計算葉輪進出面的環(huán)量差和進出口面的能量差可以得出其軸功和實際水頭,進而求出裝置的水力效率。3葉輪和固定導葉葉片數(shù)的變化雙級軸流泵由前導流帽,首級葉輪,次級葉輪,導葉和后導流帽組成,其中首級葉輪、次級葉輪和固定導葉葉片數(shù)分別為:4個、8個和9個。轉(zhuǎn)輪直徑3250mm,轉(zhuǎn)速1270r/min,流量為310～4301/s。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,劃分計算域的三維立體網(wǎng)格如圖1所示;根據(jù)其工作條件,從最小流量到最大流量分為9個計算工況,具體見表1。4cfd的計算結(jié)果和分析4.1局部高壓區(qū)進口為軸向入流,前導流帽處水流基本無圓周速度,軸面速度分布均勻,頂端部分由于速度駐點的存在,有一個局部高壓區(qū)。作為出水部件,后導流帽的主要作用是降低水流的軸面速度,使部分動能轉(zhuǎn)化為壓能,以提高效率。最優(yōu)流量工況下前導流帽軸面速度分布及最小流量工況下后導流帽軸面壓力分布分別如圖2、3所示。4.2葉內(nèi)速度分布導葉為固定導葉,安裝于次級葉輪之后,水流流過導葉時周向速度分量降低,能回收部分動能。導葉處最小流量工況下柱面速度分布如圖4所示。從速度分布來看,導葉降低水流周向速度分量的作用十分明顯。4.3級壓泵站內(nèi)動工況動工況分析葉輪是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的主要場所,由于兩級轉(zhuǎn)輪間的流動相互影響,流動情況相當復雜。首級葉輪最大流量工況下的壓力面壓力分布及最優(yōu)流量工況下表面附近的相對速度分布分別如圖5、6所示?？梢钥闯?在最大流量工況下,由于頭部脫流的影響,壓力面的頭部出現(xiàn)局部低壓。5性能分析通過計算雙級軸流泵不同流量工況的揚程和水力效率,得出雙級軸流泵的流量～揚程曲線和流量～水力效率曲線分別如圖7、8所示。6按工況計算流場通過對雙級軸流泵內(nèi)部流場的計算模擬,并對結(jié)果進行分析后得出:流量為0.37m3/S時,雙級軸流泵的水力效率最高,為93.2%,當流量為0.313/s時,揚程最大,為8.853m。與實驗結(jié)果比較,m可以看出:用全流道三維紊流方法計算噴水推進器的內(nèi)流場,能較好的模擬實際流態(tài),計算各部件之間相互作用,預估性能。雙級軸流泵內(nèi)部的流動狀況非常復雜,要考察裝置內(nèi)部的壓力脈動情況以及兩級葉輪之間流動相干的情況,還需進一步作非定常模擬計算和分析。另外,還可考慮兩級轉(zhuǎn)輪不同軸的情況,對兩級轉(zhuǎn)輪的載荷分布和結(jié)構(gòu)匹配作一些分析。若