長短葉片離心泵的全三維湍流數(shù)值模擬

1 《機械科學(xué)與技術(shù)雜志》24日(10)(2010)2007~2016 離心泵的長短葉片的空化行為 quangnhathaiandchangjinlee 航天信息工程系，建國大學(xué)，1深圳市華洋憶可恩東，廣津區(qū)，漢城143-701，韓國 (手稿收到2009年9月3日；接受2010年6月23日2010年5月31日修訂；) 摘要： 離心泵里的2-d級聯(lián)模型cfd代碼是為了預(yù)測葉輪葉片的離心葉輪 的汽蝕行為。控制方程是兩相雷諾平均navier-stokes方程為齊次形式，其中兩 個液相和氣相被視為不可壓縮流體。關(guān)閉模式，引入標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，液相 和氣相之間的傳質(zhì)速率也被實現(xiàn)。進行參照比較在葉輪離心泵葉輪的數(shù)據(jù)來實現(xiàn) 驗證。當(dāng)前離心泵的氣蝕特性測試是在設(shè)計測試點（v=8米/秒）和兩個非設(shè)計 點（v=20米

利用nurbs方法對離心泵葉片進行建模,建立了離心泵葉片的空間樣條曲線,并應(yīng)用類流線方法對葉片進行優(yōu)化,使葉片在保持原有形狀的基礎(chǔ)上更為光滑。結(jié)果表明,利用該方法建立的模型,可以真實完整地反映葉片的形狀,優(yōu)化后的葉片表面的褶皺和凹凸消失,為葉片的性能分析、數(shù)控加工等工作提供了方便。

1 《機械科學(xué)與技術(shù)雜志》24日(10)(2010)2007~2016 離心泵的長短葉片的空化行為 quangnhathaiandchangjinlee 航天信息工程系，建國大學(xué)，1深圳市華洋憶可恩東，廣津區(qū)，漢城143-701，韓國 (手稿收到2009年9月3日；接受2010年6月23日2010年5月31日修訂；) 摘要： 離心泵里的2-d級聯(lián)模型cfd代碼是為了預(yù)測葉輪葉片的離心葉輪 的汽蝕行為?？刂品匠淌莾上嗬字Z平均navier-stokes方程為齊次形式，其中兩 個液相和氣相被視為不可壓縮流體。關(guān)閉模式，引入標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，液相 和氣相之間的傳質(zhì)速率也被實現(xiàn)。進行參照比較在葉輪離心泵葉輪的數(shù)據(jù)來實現(xiàn) 驗證。當(dāng)前離心泵的氣蝕特性測試是在設(shè)計測試點（v=8米/秒）和兩個非設(shè)計 點（v=20米

選取工業(yè)中常用的df型多級離心泵作為研究對象,數(shù)值計算使用了fluent軟件及其rngk-ε湍流模型和多重參考坐標(biāo)系,實現(xiàn)了節(jié)段式多級離心泵任意一整級(包括葉輪導(dǎo)葉在內(nèi))的全三維流場的數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示在葉輪出口與導(dǎo)葉入口銜接處,葉輪出流因受到導(dǎo)葉葉片頭部的阻擋干擾,導(dǎo)致局部流體逆葉輪旋轉(zhuǎn)方向運動。液流的靜壓值在正導(dǎo)葉出口附近達到泵級內(nèi)最大值,進入反導(dǎo)葉后因沿程出現(xiàn)的水力損失靜壓值略有降低。計算結(jié)果得到了泵外特性實測值的驗證。

葉片水力模型提供的葉片表面型值點柱坐標(biāo)不能直接用于ugnx三維造型。在葉片水力模型的基礎(chǔ)上,給出計算葉片表面型值點直角坐標(biāo)的算法流程,介紹沿軸面截線方向進行葉片三維造型的方法,簡述基于ugnx平臺的葉片三維造型二次開發(fā)的步驟,定義程序開發(fā)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),在支撐軟件ugnx中程序化實現(xiàn)葉片的三維實體造型。實際使用結(jié)果表明該方法可以縮短葉片類產(chǎn)品的設(shè)計周期,提高設(shè)計精度。

對某臺多級離心泵進行葉片加長技術(shù)改造,提出了多級離心泵葉片加長的方法、原則以及實施措施。改造后的水泵性能良好。實踐證明該方法有效、可行,具有指導(dǎo)意義。

雙吸三元扭曲葉片離心泵具有葉片形狀復(fù)雜與多流道等特征,其三維造型涉及問題較多,在泵的三維造型中具有普遍性。為此,以gambit軟件為設(shè)計平臺,結(jié)合一個具體的雙吸離心泵的造型實例,介紹了雙吸離心泵扭曲葉片葉輪和螺旋形蝸殼等部件三維造型的方法,并給出了創(chuàng)建實體模型的詳細步驟及三維模型圖;此外,還簡要說明了在gambit軟件中建模需要注意的問題。

利用目前最新的多尺度激光掃描技術(shù)手段獲取大型雙吸離心泵全方位的真三維數(shù)據(jù),建立雙吸離心泵的三維可視化模型。該技術(shù)在用于獲取復(fù)雜外形實體數(shù)據(jù)時比傳統(tǒng)測量方法更為精確和快速。泵的真三維模型數(shù)據(jù)成果,可用于泵的逆向工程建模獲取cad模型,進行全方位立體三維展示和工業(yè)制造;還可通過對泵的過水部件的水體模型提取,進行計算流體動力學(xué)(cfd)分析,用于泵水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

離心泵是重要的船用機械配套設(shè)備，計算機技術(shù)的發(fā)展和功能強大的三維制圖軟件為構(gòu)造具有復(fù)雜曲面的離心泵蝸殼及葉輪流道提供了極大的便利。本文在逆向工程思想的指導(dǎo)下，結(jié)合三維激光掃描儀、相關(guān)點云處理軟件和三維cad軟件，精確地構(gòu)建出離心泵的三維模型。建立泵的三維水力模型，利用cfd方法分析其內(nèi)部流動現(xiàn)象和規(guī)律。將離心泵性能預(yù)測值與試驗值進行比較，結(jié)果表明兩者符合的很好，為泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提升打下了基礎(chǔ)。

針對同一葉輪配不同導(dǎo)流器,通過試驗分析,探索提高潛水泵效率的途徑。以250qj125型潛水泵配兩種導(dǎo)流器為例,通過cfd數(shù)值計算,預(yù)測出潛水泵的性能,將解析法求得的潛水泵最佳工況點與模擬試驗結(jié)果進行了比較,其結(jié)果較為吻合。經(jīng)對兩種導(dǎo)流器內(nèi)部的速度場和壓力場分析,提出了增加導(dǎo)流器長度、增大導(dǎo)葉片進口沖角和壁角等方法可提高潛水泵的效率。

為研究離心泵啟動過程中的瞬態(tài)流動,提出采用動網(wǎng)格方法求解邊界移動引起的非定常流動的思想。首先通過對圓柱啟動問題的模擬驗證該方法的有效性,并分別采用3種湍流模式進行對比研究,結(jié)果證明了大渦模擬(les)的適用性;其次計算分析二維模型泵啟動過程內(nèi)部流動瞬態(tài)特性;最后實現(xiàn)了離心泵啟動過程三維瞬態(tài)流動的求解,得到了內(nèi)部瞬態(tài)流動的模擬結(jié)果。

提出旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的單相液體湍流的二階雙系數(shù)動態(tài)亞格子應(yīng)力大渦模擬模型并加以驗證?？紤]亞格子應(yīng)力的對稱性和量綱一致性,在基于應(yīng)變率張量和旋轉(zhuǎn)率張量的不可約量及smagorinsky模型和亥姆霍茲定理的基礎(chǔ)上,提出亞格子應(yīng)力應(yīng)表示為可解的應(yīng)變率張量和旋轉(zhuǎn)率張量的函數(shù)。在貼體坐標(biāo)系下,利用交錯網(wǎng)格系統(tǒng)和有限體積法離散湍流控制方程,采用simplec方法求解方程。水泵葉輪中湍流的流速分布規(guī)律和壓力分布等計算結(jié)果都與試驗結(jié)果基本吻合,從而證明了此模型的可行性,以及計算方法和程序的可靠性

在雙吸離心泵的設(shè)計中,半螺旋形吸入室應(yīng)用極為廣泛。該文運用流場計算軟件fluent,基于reynolds時均方程和rngk-ε湍流模型,對雙吸離心泵半螺旋形吸入室的流場進行了三維模擬。模擬結(jié)果顯示流場速度變化較為均勻,表明這種半螺旋形吸入室作為雙吸離心泵的吸入室是合適的。

采用simple算法、kε-ap模型和混合四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在笛卡爾坐標(biāo)系中對離心式污水泵內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬,得出了污水泵內(nèi)固體顆粒的流動規(guī)律以及固體顆粒的分布特征,為離心式污水泵的優(yōu)化設(shè)計提供理論參考。

以雙吸離心泵為研究對象,在fluent軟件中采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、rngk-ε模型、realizablek-ε模型和雷諾應(yīng)力模型4種湍流模型在相同網(wǎng)格條件下進行三維、穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,計算其在不同工況下的揚程及水力效率;然后以rngk-ε模型計算結(jié)果作為初值,用大渦模擬方法進行三維、非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,計算葉輪旋轉(zhuǎn)一周的平均揚程及平均水力效率,與真機數(shù)據(jù)進行對比分析。計算結(jié)果表明:fluent軟件在穩(wěn)態(tài)計算的情況下,所采用4種模型均能夠?qū)﹄p吸離心泵進行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,且模擬的精度有差別,但總體與模型試驗結(jié)果誤差較大。使用穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果作為初值,用大渦模擬方法進行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬可以得到更為精確的結(jié)果,但大大增加了計算工作量。

從現(xiàn)有的二維水力設(shè)計軟件出發(fā),依據(jù)葉片木模圖、型值點數(shù)據(jù),利用pro/ewildfire4.0軟件,實現(xiàn)了扭曲葉片的三維造型,為后續(xù)對葉輪流道進行流場分析和葉片數(shù)控加工提供了模型基礎(chǔ)。

利用cfd軟件fluent對1200s56型泵的不同工況作流場計算。計算采用雷諾時均方程和realizable湍流模型,壓力和速度耦合采用simplec算法。得到不同工況下葉輪出口與蝸殼耦合面的靜壓分布,在將徑相力簡化認為葉輪周圍流場對葉輪的徑向作用力的基礎(chǔ)上,提出離心泵徑向力計算的數(shù)學(xué)模型,計算出各個工況下葉輪所受的徑向力,其值與試驗值比較接近。而經(jīng)驗公式存在較大誤差,非設(shè)計工況時經(jīng)驗公式計算值偏大,設(shè)計工況時偏小。

以北趙引黃工程謝村站用多級雙吸式離心泵為研究對象,基于雷諾時均n-s方程,采用sstk-ω湍流模型,壓力速度耦合使用simplec計算,對泵內(nèi)部流動進行了三維定常全流場湍流數(shù)值模擬,得到不同工況下該泵內(nèi)部流動的速度矢量圖等流場信息.在對其內(nèi)部流動規(guī)律進行了定性分析的基礎(chǔ)上,預(yù)測了泵的性能,并與現(xiàn)場測試結(jié)果進行了對比分析.分析結(jié)果表明:首級葉輪首級壓水室以及次級葉輪次級壓水室內(nèi)流動較均勻；由于過渡流道的結(jié)構(gòu)特點以及流動慣性,流體在首級壓水室進入過渡流道時,在流道突然擴大區(qū)域形成了旋渦,旋渦區(qū)域大小與流量有關(guān)；預(yù)測揚程值與現(xiàn)場測試揚程吻合較好,預(yù)測揚程最大誤差為2.7％,而預(yù)測的流量-水力效率曲線與現(xiàn)場測試流量-機組效率曲線變化趨勢一致.水泵內(nèi)部流動的數(shù)值模擬可為工程中泵設(shè)計階段的性能預(yù)測和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù).

采用激光掃描技術(shù)建立寧東供水工程雙吸離心泵三維實體模型,并采用cfd技術(shù),模擬泵內(nèi)水流流動規(guī)律,確定水泵宜磨蝕部位,并利用經(jīng)驗公式預(yù)估其磨蝕深度,為泵站有針對性地開展抗磨蝕工作奠定了基礎(chǔ)。

為了提升潛水軸流泵的性能,了解其內(nèi)部流動規(guī)律,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程紊流模型和壓強連接的隱式修正simplec算法,對潛水軸流泵全流道進行了cfd分析.得出了流道內(nèi)各速度矢量、壓力分布規(guī)律,并提出相應(yīng)的改進建議.

針對某在建核電站三級循環(huán)給水混流泵在多工況下高效率運行的要求,基于雷諾時均n-s方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和simple算法,對葉輪及蝸殼內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬,并預(yù)測其性能曲線.在清水實驗臺上進行性能測試,實驗結(jié)果表明數(shù)值計算與試驗結(jié)果吻合較好,但數(shù)值模擬和試驗結(jié)果均顯示該樣機效率不達標(biāo),可以通過增大蝸殼斷面面積以及減小葉片進口沖角進一步提高整機效率.

帶空間導(dǎo)葉離心式潛水泵全三維流場的數(shù)值模擬