液环真空泵内气液两相流动的数值分析(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)华南理工大学机械与汽车工程学院 作者:黄思

  液环真空泵是广泛应用于石油、化工、冶金、矿山、电力、轻工等行业的基础设备。液环泵内的流动属于十分复杂的非稳态气液两相流动,目前还存在着能耗高、效率偏低等问题,而现有的理论分析无法准确描述液环真空泵内气液两相流动状况。本文运用FLUENT流动软件中的多相流欧拉分析方法结合滑移网格技术,模拟计算一单级单作用液环真空泵三维非稳态气液两相流动问题。计算区域包括液环泵进出气段、叶轮、进水管及泵体,滑移界面分别设置在液环泵的进、出气段与叶轮之间的交界面以及叶轮出口与泵壳间的交界面。模拟计算包括液环真空泵内气液两相流速、压力、两相分布等内容。计算结果表明:本文所采用的分析方法和手段,可以较好的模拟分析计算液环真空泵非稳态气液两相流动问题,对实现产品的优化设计,具有重要的工程指导作用。

  液环真空泵是一种以旋转液体作为活塞,抽吸及压缩气体的回转容积泵。当叶轮按顺时针方向旋转时,离心力的作用使工作液体甩向泵体四周形成液环,叶轮内流道与液环之间形成一个近似月牙形的空腔,该空腔被叶轮叶片分隔成若干个小空腔。随着叶轮旋转,吸气时小空腔容积由小变大;吸气停止后小空腔体积再由大变小,气体被压缩并排出泵体完成整个压缩过程。液环真空泵具有转子与泵体无接触、等温压缩等特点,特别适用抽吸和压缩易燃易爆、含粉尘、水蒸汽的气体,在石化、冶金、电力、轻工、食品等行业有着广泛且不可代替的应用。

  液环真空泵内的流动属于十分复杂的非稳态气液两相流。现有液环泵小泵效率一般为30%~45%,大泵也只能达到50%左右。造成液环真空泵能耗高、效率低的主要原因是泵内气液两相流产生了较大的水力损失,而现有的理论及分析手段未能准确有效的描述泵内气液两相流动规律。

  随着近年计算机软硬件技术的迅速发展,运用计算流体力学(CFD)技术分析叶片泵内部流动性能已成为一个发展方向。但液环泵内的两相流动远比一般叶片泵的流动复杂得多:①泵内具有一个大小形状未知的气液两相分界面,必须采用多相流的分析方法。②泵内的两相流动是随时间显著变化的,必须采用非定常的分析方法。③常规叶片泵内各流道的流动基本相同,一般只需分析一个流道即可,而液环泵中每个叶片流道内的两相流动是完全不同的,必须将整个液环泵流场作为一个整体进行分析。本文针对液环真空泵内非稳态气液两相流问题开展数值模拟研究,最终实现性能的可控制性及产品的优化设计,具有重要的科研价值及工程应用意义。

1、液环真空泵内非稳态气液两相分析模型

  基本方程组使用多相流动欧拉方法的标准k-e湍流模型,即分别在流体各相中引入k-e湍流模型。考虑相数为n 的多相流动的一般情形,各流相q的方程组为:

  连续方程

  湍流耗散率(εq)方程

  式中:αq是第q相的体积分数,且所有相的总αq和为1。t是时间;vqq是q相流速;ρq 是q 相密度;μq和λq是q 相的剪切和体积粘度;kq 是q相的湍流动能;εq 是相q 的湍流耗散率;μt,q 是q相的湍流粘度;qg是重力加速度;Kpq 是相p 和q间的动量交换系数;qFq 是q 相外部体积力;qFlift,q是相q 升力;qFVm,q 是q 相虚拟质量力。塄qvp 是q相流速梯度的张量矩阵;塄qvp' 是q 相流速梯度的转置张量矩阵;[I]是单位张量矩阵;Cμ,C1ε,C2ε,C3ε 是湍流模型常量;Gk, q 是q 相平均速度梯度引起的湍动能;Clq,Cql是多相流模型常量。上述模型的具体处理方法可参见FLUENT 6.2用户手册。式(1)~(7)构成了瞬态两相湍流的基本方程组。

2、模拟实例与计算前处理

2.1、液环真空泵主要设计参数

  选取一种单级单作用、径向吸排气的液环真空泵作为研究对象,其主要设计参数数据参见表1。

  表1 液环真空泵主要设计参数

2.2、两相介质的物性参数

  选取水和空气作为液环真空泵的液相和气相,假设液相为不可压流体,气相为理想气体。介质物性及操作参数见表2。

表2 两种工作介质物性及操作参数

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