（流体机械及工程专业论文）斜流泵内部流动的数值模拟及技术改造.pdf

西华大学学位论文独创性声明 4 i 111 11 1ii l ll i i i ii i l 18 8 4 5 9 2 作者郑重声明4 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 厦、t 擒教师签名： 峨吲1 1 “ 蜮： 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：t 妥”导教师签名： 日期：& 7 f p 日期： 1 l ，6 一仂 y b 7 协 ，x， f ( ，1、 k ， 1 砂 p 西华大学硕士学位论文 摘要 斜流泵在我国国民经济建设的多个领域中发挥着极其重要的作用，斜流泵的安全生 产和平稳运行是整个生产流程顺利进行的重要保障。由于斜流泵结构复杂，元件数量多， 以往的研究都是单独针对其部件进行内部流动现象研究，随着计算机和c f d 软件的快 速发展，越来越多的研究开始着重于各个元件之间匹配之后的整体性能和相关设计研 究。 本文针对某厂家的立式斜流泵性能低下( 流量扬程性能不能满足当时的设计要求) 这一情况，采用u g 建模软件进行其斜流泵实体建模，之后利用c f d 软件n u m e c a 对 厂家提供的原型水泵进行了三维流场的数值模拟计算，并详细分析其内部流动特性，找 到性能低下的原因，而后在不更改水泵导叶的情况下，采用模型法重新优化设计了新的 水泵叶轮，进行了技术改造，同时对更改叶轮之后的新的斜流泵的性能进行数值模拟， 数值结果表明，叶轮更改之后的斜流泵在压力和速度分布方面都较之前得到了优化，且 使用效率较之前也提高了约1 0 ，性能提高比较明显。 本文的研究工作为斜流泵等内部流场的数值模拟及其性能分析具有一定的指导意 义，所得出的结论为今后针对泵类产品的设计改进和效率提升提供了一定的参考依据。 关键词：斜流泵；内部流动；数值模拟；技术改造 斜流泵内部流动的数值模拟及技术改造 _ - _ _ _ - _ 一一一 a b s t r a c t m i x e df l o wp u m p s p l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nm a n yi n d u s t r i e so f n a t i o n a le c o n o m y , a n dt h e s m o o t ho p e r a t i o na n ds a f e t yp r o d u c t i o no ft h em i x e df l o wp u m p sa r ev i t a lt ot h ep r o d u c t i o n l i n e s b e c a u s eo ft h ec o m p l e xs t r u c t u r ea n dl a r g en u m b e ro f c o m p o n e n t s ，p r e v i o u ss t u d i e so n m i x e df l o wp u m p sa r e m a i n l yf o c u s e do nt h ei n t e r n a lf l o wp h e n o m e n ao f i n d i v i d u a lp a r t s w i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dc f d ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sh a v e b e e n p a i dt ot h er e s e a r c ho ft h eo v e r a l lp e r f o r m a n c ea n dr e l e v a n td e s i g no ft h em a t c h e dd i f f e r e n t p a r t s a i m i n ga tt h ep o o rp e r f o r m a n c eo ft h ev e r t i c a lm i x e df l o wp u m p ( f l o w p e r f o r m a n c e sc a l l n o tm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t ) p r o v i d e db ya m a n u f a c t u r e r , t h es o l i dm o d e l i n go ft h ep u m p w a sc o n d u c t e db yu s i n gt h em o d e l i n gs o f t w a r eu g ，a n dt h et h r e e d i m e n s i o n a lf l o wf i e l do f p r o t o t y p ep u m pp r o v i d e db yt h em a n u f a c t u r e rw a s n u m e r i c a l l ys i m u l a t e da n dc a l c u l a t e db a s e d o nt h ec o m m e r c i a ls o f t w a r en u m e c a t h r o u g hd e t a i l e d a n a l y s i so fi t s i n t e r n a lf l o w c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ec a u s e so fi t sp o o rp e r f o r m a n c ew e r ef o u n do u t t h e nan e ww a t e rp u m p i m p e l l e rw a sr e o p t i m i z e da n dd e s i g n e db yu s i n gt h em o d e lm e t h o dw i t h o u tc h a n g i n gt h e c o n d i t i o no ft h ep u m pg u i d ev a n e s ，a n dt e c h n o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o nw a sm a d e m e a n w h i l e ， t h ep e r f o r m a n c eo ft h en e wm i x e df l o wp u m pa f t e rc h a n g i n gt h ei m p e l l e rw a sn u m e r i c a l l y s i m u l a t e d t h ec o n c l u s i o ns h o w st h ep e r f o r m a n c es u c ha sp r e s s u r eo rv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no f n e wt h ep u m pa f t e rc h a n g i n gt h ei m p e l l e ri sb e t t e rt h a nt h ep r o t o t y p ep u m pa n dt h es e r v i c e e f f i c i e n c yi si n c r e a s e db y10 ，a n dt h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ti so b v i o u s t h er e s e a r c hr e s u l t si nt h i sd i s s e r t a t i o ni ns o m ee x t e n tp r o v i d es o m ec o n s t r u c t i v eo p i n i o n s f o rt 1 1 en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d p e r f o r m a n c ea n a l y s i so ft h ei n t e r n a lf l o wf i e l d so ft h em i x e d f l o w p u m p s t h ec o n c l u s i o n sp r o v i d e g o o dr e f e r e n c e f o rt h e d e s i g na n de f f i c i e n c y i m p r o v e m e n to fp u m pp r o d u c t s k e yw o r d s ：m i x e df l o wp u m p s ，i n t e r n a lf l o w ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t e c h n o l o g i c a l t r a n s f o r m a t i o n l l 西华大学硕士学位论文 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 课题来源1 1 2 课题研究背景、目的及意义1 1 2 1 本课题研究背景1 1 2 2 研究目的和意义2 1 3 国内外研究现状和发展趋势2 1 4 研究内容3 1 5 本章小结5 2 流动计算的数学模型和方法，6 2 1 流体运动的基本方程6 2 1 1 质量守恒方程7 2 1 2 动量守恒方程7 2 1 3 能量守恒方程8 2 2 湍流计算模型8 2 2 1b a l d w i n - l o m a x 模型9 2 2 2s p a l a r t a 1 l m a r a s 模型1 0 2 2 3 标准尼一占模型1 0 2 3 数值求解方法：1 2 2 4 网格划分1 3 2 5 计算软件的介绍1 4 2 6 本章小结1 6 3 原斜流泵性能的数值模拟1 7 3 1 网格建立的准备工作1 7 3 1 1 二维c a d 图的建立1 7 i i i 斜流泵内部流动的数值模拟及技术改造 3 1 2 三维c a d 图的建立1 8 3 2 网格及i g s 文件的生成1 8 。 3 2 1 网格的生成1 8 3 2 2 网格的检查及i g s 文件的生成2 0 3 3 数值求解时的条件设定一2 1 3 4 数值计算及结果分析2 2 3 4 1 原泵的计算数据及性能曲线2 2 3 4 2 原泵大流量下计算结果与分析2 3 3 4 3 原泵最优工况下计算结果与分析2 7 3 4 4 原泵小流量下计算结果与分析3 0 3 5 本章小结3 4 4 斜流泵的改造及改造后的性能分析，3 5 4 1 改造泵设计参数3 5 4 1 1 装置特性曲线3 5 4 1 2 改造泵主要参数的计算3 6 4 2 泵叶轮的改造设计3 6 4 2 1 叶轮改造的相似理论船羽3 7 4 2 2 叶轮改造的模型法设计3 8 4 3 改造泵的建模3 8 4 3 1 实体建模3 9 4 3 2 网格划分和参数设定3 9 4 4 改造泵性能的数值模拟4 0 4 4 1 改造泵的计算数据及性能曲线4 0 4 4 2 改造泵大流量下计算结果与分析4 2 4 4 3 改造泵最优工况流量下计算结果与分析4 5 4 4 4 改造泵小流量下计算结果与分析4 8 4 5 本章小结5 0 i v v 1 1 1 1 3 4 6 7 5 5 5 5 5 5 5 5 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题来源 本课题来源于湖南湘电长泵汨罗江制泵有限公司的委托。 1 2 课题研究背景、目的及意义 1 2 1 本课题研究背景 作为通用机械，泵被广泛应用于国民经济的各个部门，如采矿、冶金、电力、石油、 化工等部门。从电能消耗的经济角度来讲，全国泵的电能消耗占全国电能总耗的2 5 以 上，而且目前国内泵的实际使用效率普遍偏低，因此提高泵的效率和优化泵的性能对国 民经济的发展以及能源节约将产生重要的影响【1 1 。 斜流泵是一种叶片式泵，它是通过叶轮高速旋转将机械能转化为液体的动能和压力 能。它的特点是叶轮旋转，既产生惯性离心力又产生推力，高效率区和稳定工作范围较 宽，变工况性能良好 e l ，并有明显的高效率低噪声的特点，其适用范围介于离心泵和轴 流泵之间【3 】。由于其广泛的应用范围和需求，对其性能和效率的要求也显得更加重要。 对泵而言，影响其效率的因素和提高其效率的手段和方法都比较多，相对其他影响因素 而言，提高叶片泵效率主要集中在如何提高叶轮性能和效率，同时也应该提高泵的使用 效率，当然这一切都必须建立在满足用户生产需要的前提上，这也正是本课题研究的主 要任务及改造的目的所在。 由于斜流泵在国民经济中的重要作用，对其效率的提高和性能及使用状况的优化就 愈加重要且有意义。与实验研究和理论分析方法研究这两种传统的研究流体运动规律的 方法不一样，本文采取数值模拟方法对斜流泵叶轮内部流动进行了数值模拟，并对照其 在现场运行的实际情况，而后也对其更换过叶轮后水泵的内部流动问题进行模拟分析， 以此为依据进行改造，并且根据更换叶轮改造后实际运行测量结果进行对比研究，从而 在数值模拟和实际运行两方面取得有效的分析结果。 斜流泵内部流动的数值模拟及技术改造 1 2 2 研究目的和意义 斜流泵是一种使用量很大的泵，性能介于离心泵和轴流泵之间，有高效率区宽，变 工况性能良好的性能特点，在工业循环泵特别是火电站循环泵中有着很广泛的应用，由 于其泵房建造成本低，近年来我们国内在自来水公司的取水上得到了很大的推广。随着 南水北调工程的开工，加速开发和研究高比转数斜流泵的水力模型显得尤为重要【4 5 1 ，由 于该类型泵体积大、结构复杂、成本高，当由于某些原因需进行改造时，若按传统方法， 需更换整泵，即叶轮、叶轮室、导叶体等几乎所有的过流部件，这样改造成本过高。本 文的主要思路是在不改变水泵除叶轮外的其他结构的情况下设计一个新的叶轮，通过 c f d 软件对新叶轮及原泵内不更换的导叶体进行全流道的性能数值模拟，得出新叶轮在 指定工况下的压力、速度分布以及相对应的性能参数和曲线，提高改造的成功率，缩短 改造周期，降低改造成本，增强市场竞争力。不仅对水泵的改造，也对水泵的设计都具 有重大的经济和社会效益。 1 3 国内外研究现状和发展趋势 上世纪九十年代以来，国外学者对斜流泵进行了一系列的数值模拟和实验研究并取 得了一系列的成果。 g o t o t 6 】对不同叶项间隙的斜流泵内部三维流动性质进行了数值模拟分析，主要集中 在泵内部的二次流之间的相互作用，其数值模拟结论表明：叶项泄漏流动使得靠近叶顶 吸力面和机闸之间的角度区域内的低速区移动到了叶片槽道中间处。 j f e r n a n d e z t 7 】等对一个包含5 个叶轮叶片，9 个导叶的斜流泵进行了数值模拟，介 绍了该斜流泵内的湍流流动和叶轮通道内的流动状况。并且将其数值模拟的结果用实验 进行了比较和验证，其验证结果显示，采用合理的计算流体力学软件和模型可以方便的 获取其内部流动的整体状态以及内部瞬间流态等因素。 h i r o s h if u n a k o s h i f 8 1 等对小流量下的斜流泵做了不稳定实验研究。作者采用五孔皮 托管以及压力传感器测量了叶轮进出口和导叶外壁处的非定常流动状况，以及所测的结 果得出结论显示：小流量下斜流泵的工况的不稳定性与多个因素有关，但是主要体现在 叶顶分离、叶轮进口处水的倒流等因素。 目前在我国，水泵制造厂家基本上还是运用传统设计方法进行水泵的设计和改造。 经过反复的设计到试验的反复过程，不断地修正设计图纸，设计周期长，制造和试验成 2 西华大学硕士学位论文 本高。近年来，计算机和c f d 分析软件的迅速发展，流动的数值模拟及其性能分析软 件越来越受到人们的高度重视，如多种通用大型的商业软件如a n s y s c f x 、f l u e n t 、 s t a r c d 、c f d 2 0 0 0 、p h o e n i c s 、n u m e c a 等相继问世，其应用已从最初的航空领 域扩展到离心泵在内的各个领域【9 】。同时，计算流体力学已从定性分析发展到定量计算， 已逐渐成为c a d 系统中的一个重要组成部分，利用c f d 技术进行水力机械的模拟以减 少试验次数，并能找出水力机械中水力性能不好的原因所在。 在国内，对于流体机械的研究大量集中在流体动力方面，研究人员很少涉及水力机 械叶轮叶片的形状和流动性能之间的优化研究工作f m ”】，主要是因为水力机械优化设计 大多是非线性约束优化，还有很多设计问题要考虑多个设计目标，其中非线性多目标优 化等就是一个难题，同时，斜流泵的改造一般都是改造叶轮、导叶等相关流道部分，而 很少有人进行过不改变斜流泵导叶而只改造叶轮的模拟分析。 在国外，在风机和压缩机设计方面已出现了基于模板的交互设计专用c a d 软件， 如n u m e c a 公司的f i n e d e s i g n 3 d 高效叶片优化设计平台，并在这平台上开发出了 先进的流体机械叶轮。随着c f d 的发展和应用。近年来在国外，已开始对旋转的流体 机械叶轮的形状和相应的流动特性通过优化计算来选择满足结构和稳定性以及流动性 能较好的叶轮，并在航空发动机上率先取得了成功。 实践证明，通过这种技术可以大大降低这类机械的设计成本、缩短了研究开发周期， 并提高了可靠性。基于c f d 的流体机械过流部件的优化设计和改进已经成为一种趋势。 1 4 研究内容 由于原泵现场测试受到限制，只能提供湖南湘电长泵泪罗江制泵有限公司生产的两 台1 0 0 0 l k x a 1 3 型立式斜流泵，用于某自来水公司作为江边取水泵，安装调试期间发 现其水力性能不达标，流量扬程明显不够，不能满足当时的设计要求和用户实际生产需 要，受该公司委托，对其进行内部流动的数值及其性能分析，而后进行技术改造。 原泵现场运行扬程约为1 3 m ，运行流量约4 4 0 0 m 3 h 左右，系统的静扬程1 2 4 m ，现 用户要求水泵流量达到5 7 0 0 m 3 h 以上。本研究对其的不合格叶轮进行数值模拟，找出 其原因所在。利用模型法设计一个新的叶轮，对原叶轮进行改造，在不动水泵导叶体等 其他部件的情况下将改造的叶轮替代原不合格叶轮，使水泵参数能达到水泵要求，并对 新设计的叶轮和泵体进行全流道模拟。所进行的研究主要体现在模拟斜流泵整机的内部 3 斜流泵内部流动的数值模拟及技术改造 流动及其性能进行分析，提高效率，满足泵技改要求参数，并且对更改后的叶轮进行数 值模拟，从而达到提高产品性能，优化产品效率的目的，进而提高其经济效益。 研究途径： 1 采用a u t o c a d 和u g 软件对原有不合格叶轮及泵体进行建模，利用商用c f d 软件对叶轮内和全流道流场进行数值模拟，通过检查流场内的旋涡状况和分析流场内介 质运动的矢量状况，原泵不合格的原因所在。 2 在不改动水泵导叶体等其他部件的情况下，通过模型法设计一个新的叶轮，并 利用商用c f d 软件对新设计的叶轮和泵体进行全流道模拟，不断进行改进，直到设计 出一种合格的新叶轮，将叶轮水力模型及其结构图提交委托单位进行制造、组装和试验。 3 研究总体流程如图1 1 。 图1 1总体流程图 4 西华大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章主要就本论文所基于的课题研究背景、目的以及意义，国内外对斜流泵和斜流 泵所做出的相关研究进展和现状进行了介绍，并且给出了本文的研究内容和步骤以及框 架图。 斜流泵内部流动的数值模拟及技术改造 2 流动计算的数学模型和方法 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) ，简称c f d ，是通过计 计算和图像显示功能，对包含有流体流动和热传递等相关物理现象进行系统 的一门学科。流体运动的规律是由以下三个定律为基础的【1 4 】：分别是质量守 量守恒方程、能量守恒方程。这些基本定律都可以由数学方程来描述，如： 方程、n - - s 方程。采用数值计算的方法，通过计算机求解这些数学方程， 体运动特性，给出流动定常或非定常流动规律。 近年来，c f d 在流动的研究中有了很快的发展，传统经典流体力学中的一些近似计 算解和图解法，现在用c f d 技术已经完全可以替代了。凡涉及到流体流动、热交换、分 子输运等现象的问题，现在几乎都可以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟来解 决。一个很典型的案例：r e y n o l d s 实验，现在可以完全通过c f d 手段在计算机上得到实 现。随着计算流体力学的发展，数值模拟技术在风机、水泵等许多工业领域得到广泛应 用，并逐步完掣15 1 。其中在风机、水轮机和泵等流体机械内部流动的模拟就是一个典型 工程问题的应用场合。 利用c f d 方法对流体流动进行数值模拟，一般包括如下步骤 1 6 】： 1 建立数学模型。该模型应反映工程或物理问题各个物理量之间关系和边界条件。 流体的基本控制方程一般就是指和些方程相应的定解条件。三大方程就是指质量守恒、 动量守恒和能量守恒方程。 2 确定计算方法。就是针对数学模型的控制方程建立高效、准确的数值离散化方法。 包括了微分方程的离散化及求解方法、贴体坐标的建立和边界条件的处理等。 3 编制和求解计算程序。主要包括计算网格的划分、初始和边界条件的输入、控制 参数的设定等。 4 显示计算结果。 。 2 1 流体运动的基本方程 研究流体运动，首先应确定一个系统，系统是确定不变的物质的组合，在这个系统 内，再确定一个研究对象，而这个对象就是控制体，控制体是相对于某个坐标系固定不 6 西华大学硕士学位论文 变的空间体积，其边界面称为控制面。对于系统和控制体，都可以建立流体动力学基本 方程。流体力学中讨论的基本方程大多数是针对控制体建立的。流体流动的基本方程主 要是由几个物理守恒定律决定的，这几个守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律 和能量守恒定律。若控制体包含有不同成分( 组分) 的混合或相互作用，系统还要遵守组 分守恒定律。若控制体的流动处于湍流状态，则要遵守湍流输运方程。所有上面的这些 守恒定律和输运方程的数学描述就是控制方程( g o v e r n i n ge q u a t i o n s ) h 刀。 2 1 1 质量守恒方程 。 流体运动的质量守恒方程( m a s sc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 是指单位时间内进出控制体的 流体质量差之总和应等于控制体内因密度变化而增加的质量，对于连续性流体，其质量 守恒控制方程的微分形式为： 望+ 型+ 型+ a ( p w ) ：0 ( 2 1 ) a t瓠 却 砚 式中，p 是密度，t 是时间， u 、，i w 是速度矢量在x 、y 、z 方向的分量。 2 1 2 动量守恒方程 流体流动的动量守恒定律实际上是牛顿第二定律：物体动量随时间的变化率等于作 用于物体上的外力之和，这是任何流动系统都必须遵循的基本定律。按照这一定律，对 于粘性为常数的不可压流体，其x 、y 、z 三个方向的动量守恒方程( m o m e n t u m c o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 为： 墨婴+ 亟掣+ 了a ( p u v ) + 亟掣：昙( 罢) i 昙( 罢) i 昙( 罢) 一宅+ e ( 2 - 2 a ) 1 q-d-1 - t - 一一一= 一，一i i ，一一，一- 一一- ， 身舐 却瑟叙”缸7 却”却7 昆”瑟7 融 4 鍪字+ 亟掣+ 亟掣+ 亟掣：昙( 罢) + 昙( 罢) + 昙( 尝) 一罢+ o ( 2 - 2 b ) 一十一十一十一= 一i “一l 十一i “一j 十一i “一i 一一十，” a缸 咖 瑟叙”融7 咖”西7 瑟”瑟7 咖 ， 亟字+ 亟掣+ 亟掣+ 亟笔型：昙( 罢) + 昙 筝+ 昙。娑) 一宅+ e ( 2 - 2 c ) 岔融却如觑”苏7 却”却7 昆”七7 瑟 7 式中，p 是流体微元体上的压力，u 是动力粘度( d y n a m i cv i s c o s i t y ) ，层、瓦、c 是微 元体上的体力。 式( 2 2 ) 的三个方程也被称作n a v i e r - s t o k e s 方程，简称n s 方程。 7 斜流泵内部流动的数值模拟及技术改造 2 1 3 能量守恒方程 无论有无热交换的流动系统，都必须遵循能量守恒定律。该定律可表述为：控制体 中能量的增加率等于进入的控制体的净热流量加上各外力对该挖掘控制体所做的功。其 实质就是热力学第一定律。 能量守恒控制方程的通用形式如( 2 3 ) 所示。 掣+ d i v ( p ) ：d i v ( f g r a d q ) ) + s ( 2 - 3 ) 其展开形式为： 掣+ 学+ 掣+ 煎竽= 昙旷等+ 杀叮等+ 鲁盯鬈，+ s q 卅 钟缸却 瑟叙、舐7 却、咖7 昆、a z 。 式中，为通用变量，可代表“、，、w 等求解变量，r 为广义扩散系数，s 为广义源项。 式( 2 3 ) 中各项依次为瞬态项( t r a n s i e n tt e r m ) 、对流项( c o n v e c t i v et e r m ) 、扩散项( d i f f u s i v e t e r m ) 和源项( s o u r c et e r m ) 。对于特定的方程，妒、f 和s 具有特定的形式8 1 。 需要说明的是，对于不可压流动，若热交换量很小以至可以忽略时，可不考虑能量 守恒方程。 2 2 湍流计算模型 湍流是一种具有高度随机性的复杂流动。湍流中流体的各个物理参数，如速度、压 力和温度等都随时间与空间发生随机变化。其主要特征有：不规则性、扩散性、连续性、 耗能性、三维有涡性等 1 9 1 。 目前湍流数值模拟方法有直接数值模拟方法和非直接数值模拟方法两种。所谓直接 数值模拟方法是指直接求解瞬时湍流控制方程。由于湍流的复杂性，采用直接数值模拟 方法一般是十分困难的。在一般的模拟计算中，我们采用的是不直接计算湍流的脉动特 性的非直接数值模拟方法，这种方法就是设法对湍流作某种程度的近似和简化处理。根 据所采用的近似和简化方法不同，非直接数值模拟方法分为大涡模拟、统计平均法和 r e y n o l d s 平均法【”】。 根据计算中使用的变量数目和方程数目的不同，湍流数值模拟分为：零方程模型( 代 数模型) 、一方程模型和两方程模型等。这里主要介绍用于旋转机械内部流动计算的三 8 西华大学硕士学位论文 类湍流模型：b a l d w i n l o m a x 零方程模型， s p a l a r t a l l m a r a s 一方程模型和k 一奢两方程 模型1 7 1 。 2 2 1b aid win - l o m a x 模型 ： 直到目前，在复杂流动的数值模拟( n s 方程) 中所使用的都是在基本方程上简化的 湍流模型，这些湍流模型都分为零方程、一方程和两方程模型，其中在n u m e c a 中针 对内部流场所选择的湍流模型大都为b a l d w i n l o m a x 模型【1 8 】。 b a l d w i n l o m a x 模型是一个双层的数值模拟湍流方式，其涡粘性系数的假设为： ( 段) 内= p ( 砂) 2 1 一唧( 叫+ 彳+ ) 】2 i 叫 y 儿( 2 5 ) ( 鸬) 内= 磊，l 乙p k ( y )y 咒 ( 2 6 ) 其中，y 是壁面的法向距离，咒是内、外两层具有相同值的点与壁面的法向距离， l 刮= ( 2 7 ) v + ：兰型：型! ；! = ：兰 心心 ( 2 8 ) = m i n ( 。略k ) j 匕一9 ) ，一是函数f ( j ，) = y 1 6 0 l 1 一e x p ( 一y + a + ) 的最大值，即为k 时的y 值。 f k l e b ( 加1 + 5 5 ( c n b y ) s t l lj ( 2 1 0 ) “耐是在给定站x 位处的速度最大值与最小值之差，即 “d f ，2 ( “2 + v 2 + w 2 ) 懈一( “2 + v 2 + w 2 ) 曲 ( 2 1 1 ) 粘度对湍流的影响通过下述方法实现，即当肼计算的小于某一给定值时，令鸬= 0 ， 也就是若( 以) 螂侧面 一 寺 l $ 0 5 图3 1全流道的二维c a d 图 1 7 斜流泵内部流动的数值模拟及技术改造 3 1 2 三维c a d 图的建立 在建立了二维c a d 图后，应将二维图导入u g ，在u g 中生成三维立体图，包括 h u b 和s h r o u d 曲线及叶片和导叶的曲面，在生成曲面时候应注意选取的用于生成曲面 j ! ：。 的螽魅譬的方向，应保持曲线方向的一致，即选取各曲线时都应是从头指向尾端。否则 即便在u g 中生成了正常的曲面，导入后也将发现曲面是扭曲的，或者生成的网格会出 现凹凸不平的现象。 3 2 网格及ig s 文件的生成 3 2 1 网格的生成 在三维c a d 图绘好之后，打开n u m c c a 软件，进入a u t o g r i d 5 窗口，在a u t o g r i d 5 窗口中点击i m p o r ta n dl i i l l 【c a d 按钮，进入i m p o r tc a d 窗口，在该窗口中打开u g 中 生成的三维c a d 图，并逐一地将h u b 和s h r o u d 曲线导入a u t o g r i d 5 ，建立两个r o w ， 每个r o w 包含一级叶轮( 导叶也算一级叶轮) ，分别在每个r o w 中导入叶轮和导叶的 曲面。 在本文的模拟当中，采用了前面所述的i g g a u t o g r i d 格生成器来自动生成全流道 的网格。在网格生成过程中，设置参数时，利用t a u t o g r i d 的y + 网格尺度检查功能，此 功能可以对所选用的湍流模型分析，判断是否符合设定要求，此方法提高计算内流场方 面的适应性【2 9 】。在这个判断的基础上，在与叶轮、近壁面等流动复杂区域和粘性底层进 行了局部加密，用以提高这些区域的分辨率，当然a u t o g r i d 软件一般会注意自动加密这 些部分，在效果不是十分理想时，也可以手动处理。考虑到在叶片尖端间隙处会产生泄 漏，不仅影响叶片尖端附近的叶片负荷，而且会使叶轮内部的流动状态发生大的变化， 从而成为效率特性下降的主要原因【3 0 1 ，在网格划分时我充分考虑了这个影响，n u m e c a 软件也具有这样一个间隙设置的功能。本研究根据实际情况，设置了叶片尖端的间隙。 本型泵网格生成结果如图3 2 一图3 4 所示。 1 8 一 西华大学硕士学位论文 二- 二二二= 二二二一 m e r i d i o 虬 l m t h e l a z 图3 2子午面流道流线划分 图3 3 b l a d et ob l a d e 网格划分 1 9 一 ，： 一 。 s 坶 图3 43 d 单流道体网格划分 3 2 2 网格的检查及ig s 文件的生成 在网格生成后，进行网格的质量检查。整体网格质量检查结果生成如图3 5 所示， 网格总数约为1 1 0 7 5 9 9 个，网格质量符合要求，于是将网格导出为i g s 文件格式。 8 + 3 0 0 0 0 0 0 滢o j 口 2 弱1 幛0 0 1 85 47 2帅 s k e w n e ma n q l e 0 3 1 2 7 9 锄 o1 伽o 猢 a s p e c l - 髑o 嗍 势 o 3 0 0 0 棚啪5 0 0 0 r 矾b 盈5 2 5 髓一一一一 e x p a n s i o nr a v l o i w a m i n g ：s p a n w i s ea n g u l a rd e v i a t i o ne x c e e d s 4 0d e g l * e e s 讪l o w1 霹 d e v i a l i e no f 4 5 - 7 的d e g j i il o w1 u x 一 _ b，垂_l m a i nl a d eu p 螽强；lb 商哦； 艘。j ! 鲞e t i i 蘸；0 嚣；醋；蟊蠡篚 ! - ；船黼。_ 溉一一。l 一一。一- 一 一。2 a 丘二荛 盔蠡廑幽叠瞄商缸山盥幽“_ 鼬矗壤醢盔显誊l 自黼 图3 5 网格质量检验 kp，：_，l 一 - 一 一 - 一 一 一 一 一 一竺 一 - 一 一 一 6 一 一 一 一 一 一 l 灞灞酒灌穗浔褥溺蠲阔1 一水t一-。，-tt*，。_o，f?q，、一 鬃憝器搿聚蒸鬣譬一 等2口j一；r；fn 西华大学硕士学位论文 3 3 数值求解时的条件设定 本文数值模拟的求解采用n u m e c a 的三维粘性流动的数值模拟模块f i n e t m t u r b o 。计算采用湍流n a v i e r - - s t o k e s 方程组s p a r l a r t - - a l l m a r a s 湍流模型和j a m e s o n 中 心差分法格式，对整个内流场进行数值模拟【3 l 】，采用时间相关法求解雷诺平均n s 方 程，时间推进格式上采用四阶龙格一库塔法。 。 ： 针对原斜流泵，本文计算了不同流量下的工况作为性能分析的依据。： ： 具体参数的设定如下所示： ；+ ，。- ： f ( 1 ) 流体 ， 。 ： “ 介质：水 。 ：。i 。 一 一t ( 2 ) 边界条件 t 采用泵压力进口和压力出口条件。 进口：轴向进流体，对于各个工况点，给定进口温度和进口静压力均为：t = 2 9 3 k ； p = 0 0 2 m p a ； 、+ ：j 1 ： 出口：选取了多组不同压力出口条件，分别给定出口静压力为0 0 6 m p a 、0 0 7 m p a 、 0 0 8 m p a 、0 0 9 m p a 、0 1 0 m p a 、0 1 4 m p a 。对多个不同出口静压力条件下斜流泵流动状 态进行分析，为其性能改造提供对比参照。壁面给定无滑移边界条件，设置默认格式。 ： ( 3 ) 数值方法设定 。 。 多重网格技术，对待粗细网格所迭代的步数不一样，粗网格本文选取5 0 0 步数迭代， 收敛精度为1 0 - 2 ，细网格迭代步数设置为2 0 0 0 ，收敛精度为1 0 - 4 。 ( 4 ) 初始迭代设定 初始迭代设定为2 0 0 次，用以判断初始条件设定的好坏和初步计算的误差，是控制 方程进行时间推进求解的一个初始参考，为了提高计算准确壁面重复性操作，初始迭代 一般设置为1 0 0 5 0 0 。本文选取2 0 0 。 ( 5 ) 收敛标准 ， 计算迭代收敛时，流场的每一点处的参数值都不应当发生变化，且针对每一块网格 迭代的收敛残差下降应该在三个量级以上。对于内部流动复杂区域，由于产生涡流，边 2 1 。一 斜流泵内部流动的数值模拟及技术改造 界层分离等区域，可以对其周期参数进行判断，或者可以在f i n e 界面中跟踪某一特性 点的参数，并且观察其变化情况。总的来说，对于定常流计算，所有的总体性能参数都 应当变为恒定值，不再随着迭代步数的延长而发生变化【2 5 】。 3 4 数值计算及结果分析 本文选取了多个流量工况进行数值模拟分析，得出一条多工况点拟合的流量、扬程 和流量、效率曲线，本文在此基础上列举了大流量工况q 埘, = 6 2 8 2 m 3 屈；最优工况流量 q n l i a = 5 2 6 3 2 m 3 h ；和小流量工况q m i n = 2 2 4 2 8 m 3 h ；三种工况下的模拟结果图。三者所对 应的扬程和效率分别约为5 2 6 m 、1 0 4 3 m 和1 6 7 6 m ，6 5 5 2 、8 0 8 1 和4 7 9 9 。 3 4 1 原泵的计算数据及性能曲线 本研究对原泵共计算了6 个流量点，其计算结果数据和拟合的流量、扬程和流量、 。 效率曲线分别如表3 1 及图3 6 所示。 从图中可以查得，水泵在扬程为1 3 m 时，流量约为4 5 7 0 m 3 l l ，计算结果比现场运 行结果略高。 表3 1 原型斜流泵n u m e c a 模拟的流量、扬程及效率数据表 序号 流量扬程 效率 ( m 3 1 1 )( m )( ) 12 2 4 2 81 6 7 64 7 9 9 24 2 7 6 81 3 7 57 5 9 1 34 7 5 61 2 4 68 0 7 8 45 2 6 3 2 1 0 4 3 8 0 8 1 55 7 7 47 9 87 6 4 7 6 6 2 8 2 5 2 66 5 5 2 西华大学硕士学位论文 5 0 霉 瓣 较4 0 3 0 2 0 1 0 0 j ， 、 j 一、 一 、 、气， 、 ， 、， 、k彳 x 。一 、 ，、k ， k f 、 l 一一： 、i x k 一譬 - j 一 - 、l x ： i 。 ￥， i l f 弋 、 i 、 p l 、 ! i i i 图3 6 各计算点拟合的流量、扬程和流量、效率曲线 3 4 2 原泵大流量下计算结果与分析 图3 7 和图3 8 分别给出了大流量下的旋转静压分布云图和单一的叶轮叶片及导叶 静压分布云图，从图中可以明显地看出，导叶上的压力分布都比较均匀，但导叶进口部 分的背面出现较高压力，主要是由于大流量点时，导叶入口流体的轴面速度较大，液流 角向导叶的背面方向增大，出现负冲角，因而冲击导叶的背面，但本泵不是十分明显， 也就是说，当我们改造后，流量达到6 2 8 2 m 3 h 时，导叶背面受冲击不会很大，从这里 可以初步认为，本次改造不动导叶体问题不大。大流量点出现压差的部位主要集中在叶 轮叶片上，但是在叶片正面和背面压力分布有所差别：叶片背面从进口到出口压力逐渐 增大，静压分布从轮毂到轮缘比较均匀，叶轮叶片工作面静压分布从轮毂到轮缘并不均 他 斜流泵内部流动的数值模拟及技术改造 匀，且从进口到靠近出口但离叶片出口还有一段距离处压力逐渐增大，而后压力又逐渐 减弱，此点说明叶轮叶片在此大流量点