（流体机械及工程专业论文）离心油泵粘油流动与性能的数值计算.pdf

摘要 本文研究课题为兰州理工大学2 0 0 2 年学术梯队及特色研究方向资助项目的 的一部分。 离心油泵在我国石油、石油化工流程中广泛应用。离心油泵的性能计算和内 部粘油流动特性的掌握对提高泵水力设计水平和性能优化有着重要工程实际意义 和学术价值。但是目前针对离心油泵性能和内部粘油流动的数值计算研究还比较 少。作为尝试，本文利用c f d 软件f l u e n t6 1 对一台用于l d v 流动测量实验的全 离心油泵内部三维粘性流场进行了数值计算。计算中，分别改变工况和粘度。为 了掌握和验证f l u e n t 计算精度，对二维静止叶栅、旋转的矩形扩散流道、带吸入 管的实验离心泵叶轮内部三维粘性流动分别进行了计算，得到了流动分离、壁面 剪切应力、二次流、射流一尾流和水力损失等信息，分别将叶轮扬程系数、叶片压 力系数与相应的试验数据进行了对比分析。研究表明： ( 1 ) 应用标准七一紊流模型计算叶栅流动时，网格数目对计算结果有影响，收 敛残差大小对结果没有影响；压力系数平均相对误差约为1 5 。 ( 2 ) 计算得到的旋转扩散矩形流道内的相对速度剖面演化规律与试验结果基本 吻合，得出的射流一尾流结构、不同断面内二次流的变化规律以及工况对它们的 影响均与试验结果较为吻合。 ( 3 ) 计算的离心泵叶轮扬程系数与试验结果的相对误差小于6 ，计算的叶片表 面压力系数的分布与实验数据十分吻合；叶轮内部的水力损失是主要的，进口管 内部的水力损失是次要的，且叶轮内部的水力损失随流量变化规律与进口管水力 损失随流量变化明显不同。 ( 4 ) 在轴面内，在前盖板转弯处，存在高速区、低总压、低静压区；在后盖板 处，存在低速区、高总压、高静压区。在轴垂面内，叶片之间的低速区和高压区 都在叶片的工作面，高速区和低压区都在叶片的背面。随着流量的减小，低速区 范围扩大，高速区范围缩小。叶轮扬程的提高主要靠叶片压力面相对速度的降低 造成的。 ( 5 ) 在设计工况，水力损失主要发生在叶片工作面、叶片尾部和前盖板内表面； 在小流量工况下，水力损失主要发生在叶片背面、叶片头部和前盖板内表面。 ( 6 ) 得出的离心油泵性能曲线的变化规律与试验结果是一致的，最大相对误差 是为6 6 7 ，最小为3 4 。 ( 7 ) 当泵进口处的雷诺数小于2 3 0 0 以后，离心油泵叶轮内部的流态更接近层 流。 关键词：离心油泵叶轮叶栅性能水力损失粘度c f d 离心油泵粘油流动与性能的数值计算 a b s t r a c t t h i sr e s e a r c hi s s u ei so n ep a t to fap r o j e c t ，w h i c hw a sf u l l ys u p p o r t e db yt h ek e y r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a mf o ro u t s t a n d i n g g r o u p sa tl a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yj n2 0 0 2 c e n t r i f u g a l o i l p u m p sh a v e f o u n de x t e n s i v e a p p l i c a t i o n i n p e t f o l e u ma n d c h e m p e t r o lp r e s s e si c h i n a t h ep r e d i c t i o no ft h ep u m p sp e r f o r m a n c ea n dt h r o u g h u n d e r s t a n do ft h ef c a t u r eo ff l o wi t h ep u m p sh a v ea n j m p o r t a n tp r a c t j c a l s i g i f i c a n c ea n dr e s e a r c hp o t e n t i a lf o rb o t hi m p r o v e m e n ti h y d r a u l i cd e s i g na n d p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n h o w e v e r j u s taf c wo fi n v e s t i g a t i o n si n t ot h e u m e r i c a l c o m p u t a t i o o fb o t hp e r f o f m a n c ea n dv i s c o u so i ln o wd y n a i c si nt h ec e n t r i f u g a lo i l p u m pa r ea v a i l a b l ec u f r e n t l y a saf i r s ta t t e m p t ，t h ev i s c o u sf l u i dn o wf i e l di a w h o l ec e n t r i f u g a lo i lp u m p ，w h i c hw a ss e r v e da st h et e s tm o d e lo fl d v m e a s u r e m e n t s ， h a sb e e nc a l c u l a t e dn u m e r i c a i l yb yu s i n gc f ds o f t w a r e f l u e n t6 1i nt h i st h e s i s b o t hp u m po p e r a t i n gp o i n ta n dn u i dv i s c o s i t yh a v eb e e nv a r i e df e s p e c t i v e l yi nt h e c o m p u t a t i o n s t h e2 da n d3 dv i s c o u sn o w si nt h ec a s c a d e ，r o t a t i n gc h a n n e lw i t h r e c t a n g u l a r s e c t i o na n dc e n t r i f u g a lp u m pi m p e l l e rw i t hs u c t i o p i p eh a v e b e e n w o r k e do u tb yu s i n gf l u e n ti no r d e rt oe s t i m a t ei t s c o m p u t a t i o n a la c c u r a c y m e a n w h 订e ，t h ei n f o r m a t j o na s s o c i a t e dw i t hn o ws e p a r a t i o n ，s h e a rs t r e s sa tw a l l ， s e c o n d a r y - n o w ，j e t - w a k ec o n s t r u c t i o a n dh y d r a u l i c1 0 s s e sh a sb e e no b t a i n e d t h e h e a dc o e f f i c i e n ta n dp r e s s u r ec o e f f j c i e n to v e rb l a d eh a v eb e e nc o m p a r e dw i t ht h e i r c o r r e s p o n d i n ge x p e r j m e n t a ld a t a t h ef b l l o w i gr e s u l t ss h o u i db e e ns h o w n ： ( 1 ) t h en u m b e io fm e s hc e l l s ，b u tr e s i d u a lc o n v e r g e n c et o l e r a n c ec a na f f e c t u m e r i c a l r e s u l t s ； t h er e l a t i v ee r r o ro fp r e s s u r ec o e f f i c i e n tw i t h r e s p e c t t o e x p e r i m e n t a ld a t ai sa r o u n d1 5 ( 2 ) t h ed e v e l o p m e n to fr e l a t i v ev e l o c i t yp r o f i l ec o m p u t e da g r e e sw e l lw j t ht h a t o fm e a s u r e m e n ta l o n gt h er o t a t i n gd i f f u s i n gc h a n n e lw i t hr e c t a n g u l a rs e c t i o n ，t h e j e t w a k ec o n s t r u c t i o na n ds e c o n d a r yf l o wp a t t e r n sa tv a r i o u sc r o s s - s e c t i o n sa n dt h e e f f e c t so ff l o wr a t eo nt h e ma l s oh a v eag o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a ( 3 ) t h er e l a t i v ee r r o ro fc o m p u t a t i o n a lh e a dc o e f f i c i e n to ft h ec e n t r i f u g a lp u m p c o m p a r e dw i t he x p e r i m e t si sl e s st h a n6 ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h en u m e r i c a lh e a d c o e f f j c i e n to nb l a d e sa g r e e sw e l lt h a to b t a i n e db ye x p e r i m e n t ；t h eh y d r a u l i cl o s si n t h ei m p e n e ri sd o m i n a t i n ga n dt h el o s si nt h es e c t i o np i p ei sm i n o r ，f u r t h e r m o r e ，t h e v a “a t i o no ft h e1 0 s si nt h ei m 口e 1 1 e rw i t ht h ef l o wr a t ed i f f e r sf r o mt h a ti nt h es u c t i o n i i p i p es i g n i f i c a n t ly ( 4 ) az o n ew i t hh i g h r e i a t i v ev e l o c i t yo rl o wa b s o i u t et o t a lp r e s s u r ea n ds t a t i c p r e s s u r ee x i s t si nt h eb e n do fs h r o u di ni m p e l l e rm e r i d i o n a lp l a n e ；al o w r e l a t i v e v e l o c i t yo rh i g ha b s o l u t et o t a lp r e s s u r ea n ds t a t i cp r e s s u r ei sa v a i l a b l ei nt h eb e n d0 f i m p e l i e rh u b az o n ew i t hh i g hp r e s s u r e0 r1 0 wr e l a t i v ev e l o c i t ye x i s t si t h eb l a d e p r e s s u r es i d ei nb l a d e t o b l a d ep l a n e t h e r ei sa l s oaz o n ew i t hl o wp r e s s u r eo rh i g h r e l a t i v ev e l o c i t yi nt h eb l a d es u c t i o ns i d et h ea r e ao ft h ez o n ew i t hl o wr e l a t i v e v e l o c i t y r e d u c e sa n dt h a tw i t h h i g h r e l a t i v ev e l o c i t y n c r e a s e s t h e i m p e l l e r d e v e l o p i gah i g h e rh e a di p a r t l o a d i n gp o i n tj sm a i n l yd u et ot h er e d u c t i o no f r e l a t i v ev e i o c i t yi nb l a d ep r e s s u r es i d e ( 5 ) t 1 l eh y d r a u l i cl o s so c c u r so nb l a d ep r e s s u r es i d e ，t r a i l i n ge d g eo fb l a d ea n d i n s i d eo fs h r o u da td e s i g np o i n t ，b u to nb l a d es u c t i o ns j d ea n db l a d ei n l e tt i pa n d i n s i d eo fs h r o u da tp a n l o a d i n gp o j n t ( 6 ) t h eh e a d n o wr a t e c u r v ec o m p u t e da g r e e sw e l lw i t ht h a to ft e s t ，t h e m a x i m u mr e l a t i v ee r r o ro fh e a dw i t hr e s p e c tt oe x p e r i m e n t a ld a t ai s6 6 7 ，a n dt h e m i n i m u me r r o ri s3 4 ( 7 ) w h e nt h ef l o wr e y n o l d sn u m b e ri sl e s st h a t2 3 0 0i nt h es u c t i o np i p e ，t h e f l o ws h o u l db ei nl a m i n a rr e g i m ei nt h ei m p e l l e ra n dv o l u t e0 ft h ep u m p k e yw o r d s ：c e n t r i f u g a lo i lp u m pi m p e n e r c a s c a d e p e r f o r m a n c eh y d r a u l i c l o s s v i s c o s i t y c f d i 第一章绪论弟一早三：百 下匕 1 1c f d 与离心泵叶轮内部流动研究 1 1 1c f d 概述 随着科学技术的进步和经济的发展，许多领域对高性能的流体机械需求越来越迫切。 为了适应社会的需求，需要进行试制和大量试验参数测量工作，为此需要耗费大量的资 金和时问。因此，为了设计出高性能的流体机械，传统的设计方法已经满足不了需要， 必须采用现代设计理论和方法。这就要求设计者必须详细掌握流体机械性能和内部流动 状况，从而给流体机械内部流动研究提出了新的课题。 c f d ( 计算流体力学) 是研究如何通过计算机对流体流动、热传和传质等物理现象 进行数值计算的学科。c f d 的基本思想可以归纳为：把原来在时间及空间域上连续的物 理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过 一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程，然后求解代数 方程获得场变量的近似值【1 叫。 具体地，c f d 可以看作是在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守 恒方程) 控制下对流动的数值计算。通过这种数值计算，可以得到极其复杂问题的流场 内各个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布，以及这些物理量随 时间的变化规律等。还可据此算出相关的积分运算，得到其它物理量，如叶片式流体机 械的转矩、水力损失和效率等。 研究流体流动的方法有理论分析、试验研究和数值模拟三种。对流体机械内部流动 试验测量时，要求的实验装置复杂庞大且成本较高、周期长，因而使试验研究受到了很 大的限制。流动的数值模拟是利用计算机对真实流动进行模拟计算。它的特点是不受试 验条件的限制，数据全面。它与试验研究相辅相成，逐渐成为研究流体流动的重要手段， 形成了新的学科耐算流体动力学( c f d ) 。随着高速、大容量、低价格计算机的相继出 现，以及c f d 方法的深入研究，其可靠性、准确性、计算效率得到很大提高，展示了 采用c f d 方法用计算机代替试验装置和“计算试验”的现实前景。c f d 方法具有初步 性能预测、内部流动预测、数值试验、流动诊断等。 c f d 有很多优势，c f d 技术经常被看作虚拟的流体实验室，试验是在计算机上完 成的。相对而言，流动的数值计算通常比传统的方法有几大优势，包括：速度、费用、 完整的信息和模拟所有操作条件。裔陛能的处理器和高效的c f d 软件代码使计算的过 程明显快于实验。更多的设计可以用更少的时间在计算机上实现测试，从而提高新产品 的开发速度。在绝大部分场合，计算机本身和运行的费用大大低于同等条件下的试验设 备的费用。而随着计算机技术的发展，普通的p c 机也能承担大型的c f d 计算。c f d 离心油泵粘油流动与性能的数值计算 能够提供流场区域每一个点的全部数据，流场中的任何位置的数值都可以在c f d 计算 结果中得到。由于数值计算没有物理条件的限制，就可以在非正常工作区域内进行求解， 能够得到全操作条件的流场数据。这些常常是实验和理论分析难以做到的。 c f d 的优越性能已经在实际应用中得到验证。例如：道格拉斯公司曾对两个前缘形 状不同的三元临界机翼的阻力特性分别进行了数值模拟和风洞实验研究，所得结果相 近，但实验经历了两年时间，耗资达6 0 万美元，而数值c f d 研究仅用了4 天，花费1 万多美元；德国的k s b 公司，利用c f d 技术检验新扩散器和锅炉泵的盖板设计的性能， 计算结果表明新设计方案使泵的总压损下降了近5 0 ，提高了泵的水力特性；美国化工 混合器制造商u g 瑚m 矾使用c f d 技术预测叶片的腐蚀特征，用叶片的仿真和数值模 拟计算延一长了叶片寿命的2 8 年不等垆j 。 c f d 不但可用于研究一些物理问题的机理，解决实际流动的各种问题，而且可用于 发现新的物理现象，如i ( i m 和m i o n 等人在槽道紊流的直接数值模拟中发现了倒马蹄涡， 后来经实验研究所证实；又如两个孤立波相互作用的一些特性也是通过数值模拟首先被 发现的。 在设计制造流体机械时，一般的过程为设计、样机性能试验、制造。如果采用c f d 方法通过计算机进行样机性能试验，能够很好地在图纸设计阶段预测流体机械的性能和 内部流动产生的旋涡、二次流、边界层分离、尾流、叶片颤振等不良现象，力求将可能 发生故障的隐患消灭在图纸设计阶段。 综上所述，人们借助计算机对流体机械内部的流动进行数值模拟成为可能，c f d 方 法将在一定的程度上取代试验，以达到降低成本、缩短研制周期的目的，并且数值模拟 可提供丰富的流场信息，为设计者设计和改进流体机械提供依据。 1 1 2c f d 相关软件 近年来，随着计算机技术的日新月异，复杂流动问题的模拟计算迅速发展，计算流 体力学越来越受到重视。多种通用大型的商品化计算软件相继问世，而应用于各个特殊 领域解决专门问题的专用化计算软件更是不可胜数。其中比较好的c f d 软件有： f u j e n t 、c f x 、p h o d 叮c s 、s t a r c d ，除了f l u e n t 是美国公司的软件外，其它三个 都是英国的产品。 f u j e n t 的软件设计基于c f d 软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复 杂流动的物理现象，f l u e n t 软件采用不同的离散格式及数值方法，以期在特定的领域 内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂 流动计算问题。基于上述思想，f l u e n t 开发了适用于各个领域的流动模拟软件，这 些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象，软件之间采 用了统一的网络生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别在仅于应用的工业背 景不同，因此大大方便了用户。 碗士学位论文 c f x 是由英国a e a 公司开发，是一种实用流体工程分析工具，用于模拟流体流动、 传热、多相流、化学反应、燃烧问题。适用于直角柱面旋转坐标系，稳态非稳态流 动，瞬态滑移网格，不可压缩弱可压缩可压缩流体，浮力流，多相流，非牛顿流体， 化学反应，燃烧，n o x 生成，辐射，多孔介质及混合传热过程。c f x 采用有限容积法， 自动时间步长控制，s i m p l e 算法，代数多网格，i c c g 、l i n c 、s t o n e 、b l o c k s t o n e 解法 和全隐式多网格求解技术。能有效、精确地表达几何形状，任意连接模块即可构造所需 的几何图形。在每一个模块内，网格的生成可以确保迅速、可靠地进行，这种多块式网 格允许扩展和变形，例如计算气缸中活塞的运动和自由表面的运动。滑动网格功能允许 网格的各部分可以相对滑动或旋转，这种功能可以用于计算钻头与井壁问流体的相互作 用。c f x 引进了各种公认的紊流模型，微分雷诺应力模型，微分雷诺通量模型等。c 的多相流模型可用于分析工业生产中出现的各种流动。包括单体颗粒运动模型，连续相 及分散相的多相流模型和自由表面的流动模型。 p h o e n i c s 是英国c h a m 公司开发的模拟传热、流动、反应、燃烧过程的通用c f d 软件，有3 0 多年的历史。网格系统包括：直角、圆柱、曲面( 包括非正交合运动网格， 但在其v r 环境不可以) 、多重网格、精密网格。可以对三维稳态或非稳态的可压缩流 或不可压缩流进行模拟，包括非牛顿流、多孔介质中的流动，并且可以考虑粘度、密度、 温度变化的影响。在流体模型上面，p h o e n i c s 内置了2 0 几种适合于各种雷诺数场合 的紊流模型，包括雷诺应力模型、多相流体紊流模型和通量模型及各种修正后的女一s 模 型。 n u m u c a 代表c f d 应用软件的后起之秀，其在9 0 年代后期才开始推向市场。该 软件的主体部分是在9 0 年代初编制的，这些技术体现了当时c f d 的最高水平。而以固 体力学计算为主的著名有限元软件a n s y s 中包含着流体力学计算模块，适合于流固耦 合计算。国外著名的c f d 有限元软件还有适合非牛顿流体计算的p o i 瑚d w 以及具有 较强通用性的热流计算软件f i 皿f o r n l a n ，t u r b ，n 3 s 等软件。 除了上述软件外，还有一些专用于前后处理的商用软件，如g r e d e n 、i g g 、 i c e m c f d 、t e c p l o t 等。还有一些软件专为某一类问题编制的。相关文献有详细的论 述。 1 1 3c f d 在离心泵叶轮内部流动研究中的应用 1 1 3 1 普通离心泵叶轮内流计算 对叶轮机械内流的计算，早在上世纪4 0 年代末5 0 年代初，就有人采用数值计算方 法来预测离心压气机叶轮的无粘流动。但具有完备形态的内流数值模拟，一般认为始于 吴仲华教授的s 。、s ：两类相对流面后，叶轮机械内流无粘数值模拟才获得迅速发展。至 7 0 年代，无粘数值模拟已达到相当高的水平，并陆续应用于工业设计中。7 0 年代中期 以后，考虑真实流体粘性的数值模拟受到人们的重视。自8 0 年代以来，离心泵叶轮内 离心油泵粘油流动与性能的数值计算 流的计算有了较大的发展。1 9 8 6 年，t a n a b e 等用原始变量方法有限元离散，数值计算 了离心泵叶轮内部三维紊流流动；1 9 8 9 年，s t e e k 等采用速度涡量方法、有限差分离散 涡量方程，计算了一个离心泵叶轮内部三维层流流动。1 9 9 2 年，s h i 等和g o e d e 等先后 发表了叶轮内的二维、三维粘性流动的数值模拟计算结果。1 9 9 4 年，戴江、吴玉林等在 离心泵叶轮内两相流动的数值模拟上作了可贵的探索。1 。 随着商品c f d 软件在计算旋转机械流场方面专业性的增强，已经有越来越多的人 开始使用诸如：f l u e n t 、p h o e n i c s 、c f x 一1 a s cf l a w 之类的软件计算普通离心泵叶 轮内的流动p 船1 。 文献【8 】用p h o e n i c s 程序计算了二维后弯直叶片离心叶轮和三维扭曲后弯叶片离 心泵叶轮输送水时最优工况的内部三维紊流，并与l d v 测量结果进行了对比。结果证明， 使用软件计算p h o e n i c s 二维叶片出口角较大的离心泵叶轮内流紊流是可行的。同时使 用软件计算p h o e n i c s 三维扭曲叶片出口角较大的离心泵叶轮内部紊流也是可行的。 文献 9 】使用高阶各向异性女一s 模型结合r e y n 0 1 d s 时均化的n s 方程，计算了普通离 心泵叶轮内部的三维紊流，结果表明，该模型较标准t s 模型在流动的分布趋势，流动 的方向的变化等方面与实验值更接近。 文献 1 0 】使用c f x r i a s cn o wc f d 软件对2 个闭式叶轮和6 个半开式离心泵叶轮 的流场进行了计算，同时也测量了不同侧面间隙下半开式叶轮的性能，得到了叶轮内流 场相对速度矢量图。闭式叶轮与半开式叶轮流场的主要差别在前盖板。在半开式叶轮中， 液体在叶片工作面和背面压力差的作用下，从工作面横跨叶片流道叶片背面，形成“窜 流”。压力差越大，“窜流”越强。由于“窜流”相对速度方向几乎与叶轮圆周速度方向相反， 因此使绝对速度的圆周分速度减小，泵扬程下降。在后盖板附近，半开式叶轮流场与闭 式基本相同。 文献 1 1 】利用f 1 1 甩n t 计算了普通离心泵叶轮的内部流场。通过对离心泵叶轮内部 流动速度、压力分布的分析，捕捉到流动冲击、二次流等重要的流动现象，对泵的性能与 改进提供确实的物理信息。 文献【1 2 】采用c d ( 一t a s c n o w 软件对离心泵内部进行了紊流数值计算。从数值计算 的结果来看，数值计算得到的叶片表面及整个流道的内特性均符合叶轮机械内特性的一 般规律，与p 实验测试结果总体趋势基本吻合。数值计算结果为泵内流场分析提供了 有益的参考。 文献【1 3 1 5 采用c f d 软件，利用k e 紊流模型以及由c h e n ，y s 发展的s i m p l e c 算法，进行了离心泵叶轮内部的二维紊流计算，从而给出了离心泵叶轮内的速度向量、 压力场以及紊动能的分布规律并将速度分部与实验结果进行了比较。 文献【1 6 1 制造了一台低比转速离心泵以研究其内的空化流动特性。动态地测量了叶 片表面压力分布和壁面静压力，采用高速录像机和数字照相机拍摄了空化行为。利用商 蝴士学位论文 业c f d 软件c f j ( 一1 a s cn o w 计算了叶轮内部的空化流动。详细测量了泵扬程下降规律， 并与c f d 结果进行了比较。在最优工况下，当n p s h 降低，气泡空化沿叶片背面增长。 当气泡空化到达流道喉部的时候，在压力面就会产生新的空穴，同时扬程急剧下降。在 大流量工况，空化气泡开始出现在流道喉部的压力面，同时扬程逐渐降低。在最优工况 下，a m 也较好地捕捉得到了空化现象。 1 1 3 2 离心油泵叶轮内流计算 文献【8 】运用p h o e n l c s 软件计算了离心油泵叶轮内部的三维紊流，并把计算结果与 l d v 的测量结果进行了对比。 文献【2 9 】利用两相流紊流模型计算了一离心泵叶轮内的三维油气两相流，并将计算 结果和这一离心泵叶轮内的纯油流动进行了比较。 文献【3 0 】利用两相流模型对已知几何尺寸的电潜油泵叶轮内部流动进行了三维c f d 模拟以便得到压力、气相速度和气体容积比的变化。计算时，流量、叶轮入口处的气泡 直径和容积比是独立给定的，假设液体是不可压缩的。计算得到了其他研究者发现的叶 片上的气囊，气囊的大小和位置与实验结果吻合。由数值模拟得到的流动参数是预测输 送不同气体容积比液体情况时的泵性能曲线的基础，即通过这些参数可以计算泵性能的 变化情况。 1 2c f d 在离心油泵研究中存在的问题 当前，尽管已有少数专家学者对离心油泵叶轮内部粘油流动的进行了数值计算研 究，但有关旨在掌握离心油泵叶轮内部粘油流动特性以提高泵性能的数值计算研究还很 少见，特别是有关粘油在离心油泵叶轮内部的三维流动状态和水力损失与粘度和工况的 变化关系还不清楚。 1 3 本文的主要工作 本文利用f 1 u e n t 进行离心油泵叶轮内部流动分析。采取由简单到复杂的方法逐步 进行，主要工作有： 1 熟悉掌握二维流动基本计算过程，特别是网格生成，周期性边界条件设置，结 果显示和计算精度分析，并与现有的试验数据对比看n 如e n t 是否适用这类流 动。 2 用f u j e n t 计算三维矩形扩散旋转流道流动分析，并与m o o fj 川的实验数据 对比，熟悉掌握旋转坐标系下的三维流动基本计算过程，特别是网格生成，旋 转流场和边界条件设置，结果显示和计算精度分析。并与m o o r j 的实验数据对 比，看f u j e n t 是否适用这类流动。 3 选择标准t s 紊流模型，采用f l u e n t 分别对叶片数为2 、4 和6 的三个离心泵二 离心油泵粘油流动与性能的数值计算 维叶轮内部的流场进行数值计算，并将计算结果分别与a c o s t aaj 【3 2 】的实验 结果进行对比，分析叶轮的内部流动，以及水力损失的情况，为后续的全离心 油泵内部流动与性能的数值计算奠定坚实的基础。 4 用f u j e n t 分析计算三维全离心油泵内部层流、紊流流动，并与实验数据对比。 重点对离心油泵的性能曲线进行数值计算分析，研究离心油泵性能曲线随粘度 和工况的变化关系。 1 4 研究的目的及意义 本文采用c f d 软件f l u e n t 计算离心油泵内部三维复杂粘油流动，掌握不同粘度和 工况下的泵的性能和内部粘油三维流动变化规律，通过对离心油泵内部流场的数值计 算，分析流体在离心泵叶轮内的流速和压力分布，以及性能曲线，揭示离心油泵叶轮内 部流动特征，为优化离心油泵的叶轮水力结构，设计高效低噪离心油泵提供理论指导， 丰富流体机械学科。 第二章f l u e n t 计算旋转部件流动的原理与方法 2 1 概述 f l u e n t 广泛用于旋转叶轮内部流场的研究。f l e u e n t 提供了灵活的网格特性，用户 可以方便地使用结构网格和非结构网格对各种复杂区域进行网格划分。对二维问题，可 生成三角形单元网格和四边形单元网格；对于三维问题，提供的网格单元包括四面体、 六面体、棱锥、楔形体及杂交网格等。f l u e n t 还允许根据求解规模、精度及效率等因素， 对网格进行整体或局部的细化和粗化。对于具有较大梯度的流动区域，f l u e n t 提供的网 格自适应特性可让用户在很高的精度下得到流场的解。 f l u e n t 通过交互式的界面与用户进行交互，用户可通过多窗口方式随时观察计算的 进程和计算结果。计算结果可以用云图、等值线图、矢量图、x y 散点图等多种方式显示、 存储和打印。 本章分别从流体运动控制方程、紊流模型、方程离散与计算方法、动静过流部件流 动耦合方法、计算步骤和收敛性检查方法六个方面来阐述一下f l u e n t 计算旋转部件内 部流动的原理与方法。 2 2 流体运动控制方程 流体运动控制方程是一组包括连续方程、动量方程和能量方程构成的微分方程组。 本课题所涉及的是不可压流体，没有传质和传热，流动是等温的，这时候就不必求解能 量方程。故在此仅给出连续方程和n s 方程。 假设：( 1 ) 流体为牛顿流体，流体流动可能处于层流或紊流，处于紊流状态时，需要 对紊流进行模型化处理；( 2 ) 不计重力：( 3 ) 部件恒定旋转角速度为o 。 用、，表示流体绝对速度，用w 表示旋转坐标系中的流体相对速度，两者的关联式为 y ；w + o r( 2 1 ) f u j e n t 可以选择绝对速度y 和相对速度w 作为求解变量。前者称为绝对速度求解方 式，是常用的方法；后者为相对速度求解方式，应用比较少。本章给出对应绝对速度求 解方式的旋转坐标系下的流动控制方程。当d = o 时，方程自动变为静止部件的流动方 程。 2 2 1 连续方程 连续性方程描述了流动过程中流体质量守恒的性质，即 詈+ v ( p v ) = o ( 22 ) 爵心油泵粘油流动与性能的数值计算 其中p 为流体密度。 2 2 2 动量方程 运动方程反映了流动过程中动量守恒的性质，也称动量方程。它是牛顿第二定律或 动量守恒定律的表达式，即 昙c p y ) + v c p w ) + v b ( d ， v p + v f ( 2 3 ) 式中p 为流体静压力，f 为流体粘性引起的应力。对牛顿流体，层流时f 的分量为 驴( 等+ 等 - 詈善a 。 c z a ， 其中为流体分子粘度。对于紊流，t 不能用上式计算，需要根据紊流情况，分别进行 计算，即需要给出紊流计算模型。 2 3 紊流模型 紊流流动的主要特征是流体速度和压力等流动参数是脉动的，另外这种脉动还会引 起动量、能量等物理量的脉动。由于这种脉动尺度小频率高，需要在时间一空间中采用 很细的网格才能分辨这些小尺度，对于比较复杂的实际工程流动，计算量超出了计算机 的能力，因此目前还不能对工程中复杂的紊流直接对n s 方程进行数值计算。为了除去 小尺度，可以采用时间平均等方式来处理n _ s 方程，由此得到一组方程，但是新得到的 方程引入了新的未知变量。于是就需要跟据已知量来确定这些未知变量，这种确定新的 与紊流有关的未知变量的方法就是所谓的紊流模型。f l u e n t 提供了以下紊流模型： 1 s p a l a r t a l l a r a s 模型 2 一s 紊流模型 1 ) 标准一紊流模型 2 )r e n o r m a l i z a t i o n g r o u p ( r n g ) 七一耆喜扫缸模型 3 ) r e a l i z a b l e 一紊流模型 3 一紊流模型 1 ) 标准女一模型 2 ) 剪应力传输( s s t ) t 一模型 4 雷诺应力模型 5 大涡模拟模型 2 3 1 s p a l a r t a l j m a 瑚s 模型 s p a l a r t a l l m a r a s 模型是设计用于航空领域的，主要是壁面束缚流动，而且已经 显示出很好的效果。在叶轮机械中的应用也愈加广泛。 硕士学位论文 需要注意的是s p a l a r t a 1 1 a r a s 模型是种相对比较新的模型，现在不能断定它 适用于所有的复杂的工程流体流动。 2 3 2t s 紊流模型 _ j 一s 紊流模型是目前使用最广泛的模型。该模型分为标准七一f 紊流模型、r n gt 一 紊流模型和r e a l i z a b l e 七一紊流模型。 2 3 2 1 标准t 一紊流模型 标准t 一紊流模型是个半经验公式，主要是基于紊动能t 和紊动耗散率。七方程 是个精确方程，g 方程是个由经验公式导出的方程。七一s 紊流模型假定流场完全是充分 发展的紊流，分子之间的秸性可以忽略。标准一模型因而只对完全是紊流的流场有效。 该模型是由l a u n d e r 和s p a i d i n g 于1 9 7 2 年提出的。在模型中，紊动能耗散率的定义 为 轴尜惜) 眩s ， 紊流动力粘度肛，可表示成t 和f 的函数，即 以= j d c 。二 ( 2 6 ) 其中，c 。为经验常数。 在标准中t 一紊流模型，k 和s 是两个基本的未知量，与之相对应的输运方程为 掣+ 掣2 刹肛+ 尝矧哪咖一 隰， 掣+ 掣= 刹p + 篑矧岷黟m 。p 知汜 其中，瓯是由于平均速度梯度引起的紊动能t 的产生项，嚷是由于浮力引起的紊动能七 的产生项，代表可压紊流中脉动扩张的贡献，c 1 。、c 2 。和c 3 。为经验常数，d ；和吼分 别是与紊动能和紊动耗散率对应的p r a n d t l 数，墨和s 。是用户定义的源项。 标准t s 紊流模型是针对充分发展的紊流的，也就是说，它是一种针对高雷诺数的 紊流计算模型，而当r e 数比较低时，例如在近壁区内的流层内，紊流方展并不充分， 紊流的脉动影响可能不如分子粘性的影响大，在更贴近壁面的底层内，流动可能处于层 流状态。因此对于r e 较低的流动使用标准t s 紊流模型进行计算就会出现问题。这时 必须采用特殊的处理方式，以解决近壁区内的流动计算及低r e 数时的流动计算问题。 常用的方法有两种，一种是采用壁面函数法，另一种是采用低r e 数的七一s 紊流模型 标准t 一紊流模型在科研工程实际中得到了广泛的校验和成功的应用，但用于强旋 流、弯曲壁面流动或弯曲流线流动时，会产生一定的失真。原因在于标准一s 紊流模型 中，对于r e y n 0 1 d s 应力的各个分量，假定粘度系数芦，是相同的，即假定“是各向同性 的标量。而在弯曲流线的情况下，紊流是各向异性的，f ，应该是各向异性的张量。为了 弥补标准一紊流模型的缺陷，许多研究者提出了对标准t 一紊流模型的修正方案， 其中应用比较广泛的两种改进方案是：r n g 女一模型和r e a l i z a b l e 七一模型。 2 3 2 2r n g 七一s 模型 r n gk 模型是从n s 方程中推出的，使用了一种叫“r e n o r a l i z a t i o ng r o u p ” 的数学方法。在r n g 女一模型中，通过大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影响， 而使这些小尺度运动有系统地从控制方程中去除。r n g 七模型的方程为 掣+ 掣= 扑畅卦瓯吩舻+ 足 池 掣+ 掣。外卦g 。昙慨岷咿c ：；p 和 其中，q 是由于平均速度梯度引起的紊动能的产生项，皖是由于浮力引起的紊动能尼 的产生项，代表可压紊流中脉动扩张的贡献，c 1 。、c 2 。和c 3 。为经验常数，o 。和吒 分别是与紊动能和紊动耗散率对应的p r a n d t l 数，最和是用户定义的源项。 r n gt ，e 模型来源于严格的统计技术，它和标准七一模型很相似，但是有以下改 进： r n g 一6 模型在方程中加了一个条件，有效的改善了精度； 通过修正紊动粘度，考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况； r n g 理论为紊流p r a nd l j 数提供了一个解析公式，然而标准“e 模型使用的是用户提 供的常数。 这些改进使得r n g 七一模型可以更好地处理剪切率及流线弯曲程度较大的流动。 也使得r n g 七模型比标准七紊流模型在更广泛的流动中有更高的可信度和精度。 需要注意的是，r n gk s 模型仍是针对充分发展的紊流有效的，即仍是高r e 的紊 流计算模型，而对近壁区内的流动及r e 数较低的流动，必须采用壁面函数法或低r e 数 的t f 紊流模型。 2 3 2 3r e a l i z a b l e 女模型 标准i 。模型对剪切率特别大的情形，有可能导致负的正应力。为了使流动符合紊 流的物理定律。需要对正应力进行某种数学约束。为保证这种约束的实现，文献 2 1 认 为紊流动力粘度计算公式中的系数c 不应该是常数，而应与剪切率联系起来，从而提出 了r e a l i z a b l et e 模型。r e a l i z a b l et 一模型的方程为 掣+ 掣2 剐+ 等肘瓯吩肛+ & 汜 以 峨 缸f | l 吼j 船ji ”。“ 挈+ 等产= 毒”+ 筹) 毒| + p 邸。一p q 熹+ q 巴。皖+ 足 ( 2 1 2 ) r e a l i z a b l e e 模型比起标准七一模型的方程来有两个主要的不同点： 带旋流修正的女模型为紊流粘性增加了一个公式； 为耗散率增加了新的传输