面积比原理在潜水泵设计中的应用研究(2)
3、潜水泵内部流场的三维湍流数值模拟
3.1、计算方法及计算区域
采用FLUENT数值计算软件,对潜水泵内的三维不可压缩定常湍流流动进行数值计算。选用分离式求解器、采用非结构化交错网格的SIM-PLEC算法及隐式求解。采用有限体积法离散计算区域,动量方程、湍动能、耗散率均采用一阶迎风格式离散,一阶迎风格式所生成的离散方程的截差等级较低,限制了解的精度,但采用该离散格式计算一般不会出现解的振荡。
运用AutoCAD对潜水泵进行三维实体造型。为了使叶轮前后盖板带动旋转的液体能够顺畅地流入压水室,回收一部分圆盘摩擦功率,提高泵的效率,同时也为能更准确地描述潜水泵中的速度、压力等参数的变化规律,在叶轮的进口边添加一段高为60mm的同心圆柱体,与此同时,在导流器出口边亦添加一段高为60mm的同心圆柱体,使出流液体能够得到充分发展。图3～5为潜水泵实体造型。
图3 整体模型图Ⅰ图4 整体模型图Ⅱ
图5 FLUENT计算模型
以潜水泵单级泵壳内流道为计算区域,采取全流道模拟方式,同时将整个计算区域划分为4个部分,即泵的进口延伸段、叶轮室的旋转部分、导流器区域的静止部分和出口延伸段。两个子区域之间连接的平面作为分界面。对于旋转部分和静止部分之间的耦合采用多参考系模型。由于叶轮、导流器叶片形状复杂,扭曲严重,为使计算网格更好地描述模型的结构特征,尽量做到不失真,故采用对复杂边界适应性强的混合网格。同时,对叶轮、导流器叶片表面进行网格细化。图6为潜水泵计算网格模型。
图6 潜水泵计算网格模型
3.2、控制方程及边界条件
控制方程采用三维雷诺时均N-S方程,选用RNG湍流模型组成的封闭方程组。近壁处理采用固壁无滑移假设,并应用标准壁面函数处理。模型常数为: k=0.039,ε=0.19, Cμ=0.0845, C1=1.42, C2=1.68。
流动的液体为水, 液体密度取ρ=998. 2kg/m3 ,水的动力粘度为μ=1. 0 ×10-3 N·s/m2。进口边界条件为垂直于进口的平均流速V, V =Q/A进口=4Q/πd2 = 5. 226m/s; 出口边界条件为自由出流。
3.3、计算结果及分析
同一导流器选配2种不同叶轮的潜水泵最佳工况点模拟数据如表3所示。
表3 潜水泵最佳工况点模拟数据
潜水泵最佳工况点的数值模拟结果与试验实测结果较为吻合,误差很小。误差产生的原因有:
(1)建模时忽略了叶轮与导流器之间间隙对泵性能的影响;
(2) FLUENT软件模型误差,如RNG k -ε湍流模型与实际的湍流流动并不一定完全符合,湍流模型是在一定的条件下对实际问题的近似处理。同时,离散误差、舍入误差也会对计算结果造成影响;
(3)计算边界条件、网格划分及对实际问题的简化处理也是产生误差的原因;
(4)水力效率、容积效率和扬程修正系数的估算正确性。
4、结论
(1)叶轮出口叶片间的过流面积和导流器喉部面积是控制潜水泵性能的重要因素,满足面积比系数Y≤1,就可获得较高的水泵扬程;
(2)通过试验研究,在面积比系数不变的前提下,导流器不变只改变叶轮同样可以得到一种高效率的潜水泵;
(3)数值模拟计算结果和试验实测结果较为吻合,运用CFD数值模拟方法来预测潜水泵性能是完全可行的;
(4)本试验仅对一种潜水泵进行了试验分析,并且数量有限,有待于进一步深入研究。
