端壁间隙流动对轴流泵性能影响分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)河海大学能源与电气学院 作者:马凌腾

  采用CFD计算工具FLUENT,基于N-S方程,采用标准K-ε紊流模型,以及SMPLEC算法,取间隙大小δ相对于转轮直径大小的0.5%、1%、1.5%、2%,对以上4种不同间隙在不同流量下轴流泵端壁间隙流动进行了数值模拟,同时也对轴流泵内部带间隙的流场进行了数值分析。结果显示:间隙的大小,影响着叶片的空化性能和水泵效率及扬程,对泵的性能有着巨大的影响。给今后轴流泵的设计改进提供了可靠的理论依据。

  轴流泵在水利建设过程中有着广泛的应用,其拥有大流量、低扬程、制造简易以及成本较低等优点。在轴流泵的转轮室内,端壁间隙流虽然相对于转轮区域极小,但由于在这狭小的区域内流态很不稳定,几何尺寸相对转轮直径较小的间隙空间却对整个转轮室产生巨大的影响,导致水泵的效率和扬程产生一定变化。因此,十分有必要研究水泵内间隙大小对水泵性能的影响。在现阶段,国内外普遍用数值模拟的方法来研究这些复杂的流动现象,国内的李龙、戴辰辰、杨昌明、陈次昌等人对泵内流场进行模拟时都用的是数值模拟,而国外有SvetlanaPoroseva等学者对泵模拟时也采用的是数值模拟。但是,目前而言,在对泵内进行流场数值模拟的文献当中,很多都忽视了叶端间隙的存在,本文在文献的基础上,用Pro/E建模软件对轴流泵建模,改用FLUENT计算软件计算,指出了泵间隙对整个流场的影响并对泵内回流和流场紊乱作出了详细的介绍,给今后轴流泵的设计改进提供了可靠的理论依据。

1、模拟计算

  1.1、建立模型

  数值模拟研究所采用的轴流泵泵段区域,包括叶轮及叶轮导入部分、出口部分。叶轮直径300mm,轮毂直径140mm,叶片共4片,泵段长为550mm,转速为1350r/min,最佳工况时的流量为308.6L/s,扬程为4.6m。

  1.2、划分计算网格

  先对整个泵进行实体造型,然后进行网格划分,在网格划分中,考虑到间隙较小,因此在间隙处细化网格,总体网格划分如图1所示,网格总节点大约为280000,不同间隙由于划分的网格数不同,因此节点数不同。在计算体内采用非结构化、多面体混合网格划分。

轴流泵网格划分

图1 轴流泵网格划分

  1.3、进出口边界条件设定

  进口条件设为质量进口,给定流量大小,以无旋法向进口来确定速度方向,压力均匀分布,定义湍流强度和水力直径。湍流强度可以由经验式(1)来估算:

  泵出口条件由质量守恒方程确定。

  1.4、模拟计算

  对轴流泵内部进行数值分析时采用时均N-S方程做为控制方程,标准K-δ紊流模型,通过收敛速度较好的SMPLEC算法实现速度和压力分离求解,压力项采用PRESTO!,其他项采用二阶迎风差分格式。

结论

  1)随着叶片顶端间隙增大,轴流泵的扬程和效率都将减少,这是由于间隙变大导致间隙流对主流的影响增大,迫使流场紊乱,使泵的扬程效率降低。

  2)随着叶片顶端间隙增大,叶片高压面和低压面的压力差减小,叶片进口处的负压增高降低了发生气蚀的可能。

  3)间隙和流量都会对叶片顶端回流产生一定的影响,间隙和流量越大,叶片顶端间隙就越不容易发生回流。

  4)间隙的大小直接影响到泵的性能,大间隙影响泵的效率而小间隙会提高叶片发生气蚀的几率。因此合理的间隙尺寸才能使泵的性能更加完善。

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