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基于CFD的冲压焊接多级离心泵叶轮选型的研究

作者:2014-12-27 15:40文章来源:未知

  0 引言

  冲压焊接离心泵是 20 世纪 90 年代的新产品,它采用不锈钢板材冲压焊接而成,相比于传统的离心泵采用铸造工艺,具有高效节能、低碳环保等优点,广泛应用于矿山冶金、石油化工、给水排水、食品医药等领域。随着经济社会的发展,大流量中高比转速的冲压焊接离心泵需求量越来越大,目前针对冲压焊接多级泵的内部流动情况研究很少,且主要为小流量的低比转速的冲压焊接多级离心泵。因此,开展对于中比转速冲压焊接多级离心泵内部流场的数值模拟研究具有重要的意义。

  利用 CFD 软件 FLUENT,对流量为 12 m3/h,扬程为22.5 m(单级扬程为7.5 m),比转速为135的3级冲压焊接离心泵进行三维湍流数值模拟。通过对采用扭曲式、圆柱形和堵塞式叶轮三种不同叶轮形式的离心泵内部流场进行模拟,获取泵内叶轮速度分布、压力分布等特征信息,为中比转速冲压焊接多级离心泵的叶轮叶型的选择及泵性能的优化提供依据。

  1 流道建模与网格划分

  本文选取多级泵中的一级来模拟多级泵内的流动情况。根据离心泵设计参数,利用UG软件分别对扭曲式叶轮、圆柱型叶轮、堵塞式叶轮和导流筒建模,其中叶轮的设计参数如表 1 所示。采用扫略、求差等方法生成叶轮流道和导流筒流道模型,然后分别将两种叶轮流道和导流筒流道进行装配,生成本次模拟所需模型,包括进水段、叶轮流道、导流筒流道、出口段。最后导入FLUENT前处理软件GAMBIT进行网格划分,进水段采用Hex/Wedg网格单元的Cooper非结构网格,其他采用Tet/Hybrid网格单元的TGrid混合网格。

  2 数值模拟

  2.2 边界条件

  进口段给定速度进口边界条件;多级泵的出口边界的压力和流速都是未知的,所以在出口处选择出流边界条件;进水段与叶轮流道以及叶轮流道与导流筒流道接触的部分,设置为交界面;壁面设置为固壁边界条件,其中叶轮流道设计为旋转壁面,且使用标准壁面函数确定近壁面流动。

  2.3 计算方法

  将叶轮定义在旋转坐标系下,将进口段、导流筒和出口段定义在惯性坐标系下,使用FLUENT提供的多重坐标系模型(MRF)对其耦合。在离散格式中,压力项采用标准格式,由于计算机能力及一阶迎风格式的稳定性,对流项、湍动能项和湍动能耗散率采用一阶迎风格式,使用压力修正法中的压力耦合方程组的半隐式方法(SIMPLE算法)进行求解。

  3 计算结果及分析

  3.1 内流速度分布

  三种叶轮均是在进口处速度最低,速度沿着叶轮径向不断增大,至叶片出口处达到最大。这是因为进入叶轮的流体受叶轮旋转而产生的离心力的做功,动能沿着叶轮径向不断增大,至叶轮出口处达到最大。

  三种叶轮均有回流现象产生,扭曲式叶轮回流程度明显小于其他两种叶轮;同时,圆柱形叶轮和堵塞式叶轮在叶片出口处附近均具有较为严重的分流层现象,其中圆柱形叶片最为严重,而扭曲式叶轮则没有明显的此种现象产生。通过对比还能发现扭曲式叶轮的流速分布更为均匀。因此,从流速分布方面看,扭曲式叶轮为优。

  3.2 压力分布

  流体静压沿着叶片进口处到叶片出口处方向不断增大。从静压力云图反映的情况来看,在叶片背面入口处附近扭曲式叶片产生有轻微的不明显的负压点,堵塞式叶片产生有较明显的负压区,而圆柱形叶片背面入口处附近产生的负压现象最为严重,负压区域面积和程度都明显大于扭曲式叶片和堵塞式叶片。三种叶轮形式中,扭曲式叶片产生的负压最小,这说明扭曲式叶片的抗气蚀性能最好。

  4 结论

  1)利用FLUENT对应用于中比转速冲压焊接多级离心泵的扭曲式叶轮、圆柱式叶轮和堵塞式叶轮进行内部流场的数值模拟和性能预测,得出扭曲式叶轮具有抗气蚀性能强,无明显的分流层现象,具有较好的水力性能等特点。

  2)在中比转速冲压焊接多级离心泵的叶片选型中宜采用扭曲式叶片。

  3)圆柱型叶片背面入口处附近有严重的负压现象,易产生气蚀。圆柱形叶轮不宜在中比转速冲压焊接多级离心泵中使用。

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