基于k-湍流模型的離心泵空化性能優(yōu)化研究

基于k-湍流模型的離心泵空化性能優(yōu)化研究

離心葉片爆炸對葉片性能有重要影響。葉片爆炸的發(fā)生通常會影響葉片內(nèi)流的正常流動，并產(chǎn)生振動、噪聲、過流元件腐爛、葉片性能下降等問題。如果葉片嚴(yán)重，也會影響整個系統(tǒng)的正常運行。目前，關(guān)于改進葉片筒的空化的研究較少。由于葉片筒內(nèi)空化的許多因素，現(xiàn)有的研究資料相對分散，對葉片筒設(shè)計沒有具體的方法。有效提高葉片筒的性能一直難以取得突破，因此需要進行進一步的研究工作。本文以離心式水泵為對象，計算離心式泵的幾何參數(shù)對葉片筒性能的影響。1葉輪結(jié)構(gòu)的三維造型本文選用的原型離心泵為單級單吸型式離心泵,其中離心泵的設(shè)計參數(shù):流量為200m3/h,揚程為20m,轉(zhuǎn)速為1450r/min,比轉(zhuǎn)速為131.87,圖1為離心泵流道的三維造型圖.該離心泵葉輪結(jié)構(gòu)的主要參數(shù):葉輪進口直徑為150mm,葉輪的出口直徑為260mm,葉片進口寬度為60mm,葉片出口寬度為33mm,葉片數(shù)為6.2計算值的值2.1流體密度方程在運用Fluent軟件中,選用Singhal等人研究的完整空蝕模型和混合流體兩相流模型模擬離心泵內(nèi)部的空蝕流動.其連續(xù)方程和動量方程為1)連續(xù)性方程:混合流體相:式中:ρ為空泡相和水流相形成的混合流體質(zhì)量密度;v為混合流體的速度矢量.空泡相:式中:f為空泡相的質(zhì)量組分;Re為水蒸氣的生成率;Rc為水蒸氣的凝結(jié)率.2)動量方程:式中:p為靜壓力,μ為分子黏性系數(shù),μt為湍流黏性系數(shù).式(2)中混合密度ρ和空泡相質(zhì)量組分f的關(guān)系如下:式中:ρv為空泡相流體的質(zhì)量密度,ρl為水流相流體的質(zhì)量密度.2.2pro/e模型建立考慮到網(wǎng)格對離心泵計算結(jié)果的影響,運用GAMBIT軟件,采用四面體網(wǎng)格(Tgrid)對在Pro/E中生成的幾何模型進行網(wǎng)格劃分.模型網(wǎng)格生成圖如圖2和圖3所示.2.3速度進口壁面函數(shù)采用k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,給定進口處的絕對速度,速度進口是在絕對速度參考坐標(biāo)系下給定一均勻來流,方向垂直于進口面,出口設(shè)置為壓力出口.近壁區(qū)域采用壁面函數(shù)處理,固壁上速度滿足無滑移條件,壓力取為第二類邊界條件.3計算與分析3.1葉輪進口直徑的影響由數(shù)值計算可知離心泵的空化主要發(fā)生在葉片進口邊附近,空泡產(chǎn)生受到該區(qū)域影響,說明離心泵葉輪進口尺寸是影響空化現(xiàn)象發(fā)生的主要條件.原型葉輪的進口直徑為150mm,現(xiàn)將該尺寸改為155mm和160mm,其他葉輪上的相關(guān)參數(shù)不變.經(jīng)過數(shù)值模擬后,繪出不同進口直徑葉片背面空泡體積分數(shù)分布曲線(見圖4),3種葉輪的空化余量-揚程曲線(見圖5),從模擬結(jié)果得到3種葉輪進口直徑參數(shù)下的性能,見表1.從數(shù)值計算的結(jié)果可以看出,葉輪進口直徑增加后,泵的揚程變化基本保持不變.當(dāng)葉輪進口直徑為155mm時,效率最高,當(dāng)葉輪進口直徑增大到160mm時,雖然揚程增大,但是效率降低.從圖4中可以觀察到,在吸上高度相同的情況下,對3種不同葉輪進行數(shù)值模擬,葉片背面上的空泡體積分數(shù)隨著進口直徑增大,在葉片進口處空泡體積分數(shù)減小的幅度較大,在葉片出口處沒有顯著變化.由圖5計算得到進口直徑155mm時,空化余量為2.67m;進口直徑160mm時,空化余量為2.23m.說明進口直徑的增大會降低離心泵的空化余量,同時也可以得出下面一個結(jié)論:在離心泵葉輪進口直徑增大到一定值時,葉輪進口直徑有一最佳值,這個最佳值的存在對離心泵效率的提高和空化余量的降低有著重要的意義.從表1可以看出針對本文選用的離心泵的最佳直徑應(yīng)該為155mm.3.2進口放養(yǎng)角的影響根據(jù)研究,空化性能良好的泵的沖角范圍一般取Δβ=3°~10°;沖角在此范圍內(nèi),對泵的效率沒有多大的影響,但是卻能提高泵的氣蝕性能.可以看出保證空化性能與保證最高效率的沖角是一致的.如圖6所示,沖角對空化性能的影響較大,當(dāng)沖角為負值時,泵的空化性能明顯變壞,而取較大的正沖角,可減小葉片進口的排擠系數(shù),減少葉片對流道的阻塞程度.所以,采用較大的正沖角是有利的.本文在原有葉片前蓋板進口安放角21°的基礎(chǔ)上,再增加3°的進口沖角,這樣就使葉輪前蓋板處的葉片進口安放角增大到24°.重新設(shè)計和建立模型,進行數(shù)值模擬計算,所采用的計算方法和邊界條件與原型離心泵的過程相同.同樣繪出不同進口安放角葉片背面空泡體積分數(shù)分布曲線(見圖7),葉輪的空化余量-揚程曲線(見圖8),從模擬結(jié)果得到2種葉片進口安放角參數(shù)下的性能,見表2.從數(shù)值計算的結(jié)果可以看出,當(dāng)增大葉片前蓋板的進口沖角后,減小了葉片的彎曲程度,葉片進口的過流面積增大,空化性能得到改善.從圖7可以看出,在吸上高度相同的情況下,葉片進口附近的空化性能提升較大.同時,由圖8計算得到當(dāng)前蓋板的進口安放角為24°時,空化余量為2.51m,較原型離心泵的空化余量3.06m降低了0.55m;同時在表2中可以比較出,雖然揚程略有下降,效率卻得到較大提高.綜上分析,采用較大的正沖角是有利的,可以改善葉輪的空化性能,減少葉片對流道的阻塞程度.4輪進口直徑的影響1)在改變?nèi)~輪進口直徑后的數(shù)值模擬過程中,發(fā)現(xiàn)葉輪進口直徑對泵的效率和揚程都有一定影響,葉輪進口直徑有一最佳值,這一最佳值對離心泵效率的提高