不同型式隔舌离心泵动静干涉作用的数值模拟.docx

不同型式隔舌离心泵动静干涉作用的数值模拟祝 磊，袁寿其，袁建平，周建佳，金 荣，王 慧（江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 212013）摘 要：为了研究不同型式隔舌对离心泵动静干涉作用的影响，分别对长舌、中舌和短舌 3 种不同型式隔舌的离心泵采用大涡模拟动态亚格子湍流模型进行三维非稳态数值模拟，通过非定常数值计算获得了不同型式隔舌离心泵隔舌处压力 脉动特性和作用在叶轮和蜗壳上的径向力特性，并对其进行比较分析。结果表明：由于受到动静干涉的影响，不同工况 下作用在叶轮上的径向力矢量图呈明显的六角星分布；各工况下作用在蜗壳上的径向力矢量图基本呈椭圆形分布；采用 短舌的离心泵扬程增高，高效区增宽；作用在叶轮和蜗壳上的径向力大小和方向时刻都在变化；采用中舌和短舌时，隔 舌处的脉动幅值和作用在叶轮上的径向力均减小，说明采用中舌和短舌可以改善了隔舌处压力脉动和作用在叶轮上的径 向力。关键词：离心泵，动静干涉，数值模拟，径向力，压力脉动doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.10.009中图分类号： th311文献标志码：a文章编号：1002-6819(2011)-10-0050-06祝 磊，袁寿其，袁建平，等. 不同型式隔舌离心泵动静干涉作用的数值模拟j. 农业工程学报，2011，27(10)：5055.zhu lei, yuan shouqi, yuan jianping, et al. numerical simulation for rotor-stator interaction of centrifugal pump with different tonguesj. transactions of the csae, 2011, 27(10): 5055. (in chinese with english abstract)本文基于大涡数值模拟思想,采用动态亚格子湍流模型3-7，对 3 种不同型式隔舌的离心泵采用大涡模拟方法 进行全三维的数值模拟。已有研究表明叶轮与隔舌间动 静干涉作用对离心泵压力脉动性和径向力特性的影响很 大8。目前为了改善泵的振动，主要是改变叶轮外径和隔 舌安放角来改变叶轮与隔舌间隙，通过数值模拟和试验研究离心泵隔舌处压力脉动特性和径向力特性9-11。也有通过改变隔舌型式来改善泵的性能，郭鹏程12通过改变 隔舌安放角改变隔舌型式，数值模拟分析了不同型式隔 舌对离心泵性能及内部流动的影响。本文借鉴郭鹏程的研究，在蜗壳出口喉部分别安装长舌、中舌和短舌 3 种不同型式的隔舌，数值分析了不同隔舌型式的离心泵作 用在叶轮和蜗壳上的径向力的特性及压力脉动特性。1 数值模型模型泵的设计性能参数为：流量 q25 m3/h，扬程 h32 m，转速 n2 900 r/min。叶轮为闭式叶轮，叶片 数为 6，叶轮出口直径为 d2165 mm，叶轮出口宽度为 b27 mm，叶轮进口直径 d165 mm，出口安放角2=30。 本文采用长隔舌、中隔舌和短隔舌这 3 种型式的蜗壳， 其安放角分别为 23、28和 33，隔舌型式如图 1 所示， 不同型式隔舌蜗壳的主要参数如表 1 所示。采 用 有 限体积 法进 行离散 求解 ，应用 ansys cfx12.1 全隐式耦合多网格线性求解器，采用大涡模拟 smagorinsky 模型，对所有变量进行整场联立求解，同时 求解连续方程和动量方程组。采用 icem 软件对模型进 行前处理得到四面体网格。叶轮流道内的水体为旋转体，蜗壳内水体为非旋转体，在非定常计算时两者之间的交0引言随着人们对离心泵运行稳定性和振动问题的日益重 视，对其内部流动的研究显得十分必要。离心泵叶轮与 隔舌的动静干涉是造成离心泵流动诱导振动的重要原 因，针对其的研究已成为国内外研究的热点，目前主要 集中在分析离心泵压力脉动和径向力特性方面1-2。同时， 随着计算机的计算速度和计算容量的大幅度提高,已有一 些研究机构对 navier-stokes 方程不作任何形式的模化和 简化，利用极为细密的网格直接数值求解 n-s 方程，这 就是直接数值模拟(dns)。但目前普通的研究者尚无法实 现 dns，而介于 dns 和雷诺时均方法之间的 les，由于 其较雷诺时均理论更为精细且在常规的计算机上即可实 现，因而已在计算流体力学界逐渐兴起并发展成为最有 发展潜力的紊流数值求解方法。大涡模拟是把包括脉动 在内的湍流瞬时运动通过某种滤波方法分解成大尺度运 动和小尺度运动两部分，大涡运动直接通过数值求解运 动微分方程计算出来，小尺度涡通过建立亚格子模型来 建立模拟，它克服了湍流模式的时均处理和普遍适用性 差的缺陷。收稿日期：2010-12-28修订日期：2011-02-23基金项目：国家杰出青年基金项目（50825902），江苏省自然基金攀登项目（bk2009006）和江苏省自然科学基金项目（bk2009218） 作者简介：祝磊（1986），女，湖北人，主要从事离心泵内动静干涉作用 的研究。镇江 江苏大学流体机械工程技术研究中心，212013。email: 通信作者：袁寿其（1963），男，上海人，研究员, 博士生导师，主要 从事流体机械及排灌机械研究。镇江 江苏大学流体机械工程技术研究中心，212013。email: 第 10 期祝 磊等：不同型式隔舌离心泵动静干涉作用的数值模拟51界面设置为 transient rotor-stator 模式。非定常模拟时，是以定常计算的结果作为初始条件，进口边界条件给定 质量流量，出口边界条件给定静压13。出口固体壁面取 为无滑移边界条件，并给定固体壁面粗糙度。非定常模 拟时叶轮每转 0.3作为一个时间步长，即时间步长为0.00001724s。动量方程采用中心差分方式，在时间上采用二阶全隐式格式。选取第 4 个周期的结果用于分析， 在蜗壳隔舌附近布置测点，监测压力脉动变化规律，同 时设置记录叶轮和蜗壳的径向力随时间变化数据。性，在隔舌处布置测点以监测压力脉动变化，测点坐标如表 2 所示。表 1 不同型式隔舌蜗壳的主要参数table 1 parameter of different tongues参数长隔舌中隔舌短隔舌隔舌基圆半径 r/mm隔舌安放角 a/()喉部断面面积 ft/mm21.523660.521927.60082.921.728706.8581927.60082.73233754.7681927.60082.552叶轮出口面积 f2/mm面积比 y（y= f2/ft）表 2隔舌处测点坐标table 2 coordinate value at tongue坐标值/mm长隔舌中隔舌短隔舌x yz240842408424084图 2 是不同隔舌型式离心泵隔舌处压力脉动频域特性，由图可知：设计工况下隔舌型式由长舌改为中舌， 压力脉动幅值下降明显，而由中舌改为短舌时，两者压力脉动幅值相当；非设计工况下，由长舌改为中舌，再 到短舌，压力脉动幅值都有下降，其中由中舌改为短舌 时压力脉动幅值降幅较大，说明采用短舌蜗壳能改善离心泵隔舌处压力脉动。图 1 不同隔舌型式蜗壳示意图fig.1 structure of different tongues隔舌处压力脉动特性分析为了监测不同型式隔舌离心泵隔舌处压力脉动特2注：q 为设计工况下流量，下同。图 2 不同隔舌型式离心泵隔舌处压力脉动频域特性图fig.2 frequency spectra of pressure fluctuations near tongue with different tongues农业工程学报2011 年523 离心泵径向力特性分析3.1 不同隔舌型式蜗壳离心泵性能比较本文分析不同型式隔舌对离心泵性能的影响，在改 变隔舌型式的时候必然要改变蜗壳部面积，即改变了面积比 y，所以在分析隔舌型式对离心泵性能影响的时候，要明确离心泵性能变化主要是隔舌型式的影响还是面积 比的影响。本文计算模型由原型长舌改为中舌时，面积 比 y 由 2.92 变为 2.73，改变量为 6.5%；由中舌改为短舌 时，面积比 y 由 2.73 变为 2.55，改变量为 6.6%，整体上由长舌改为短舌时面积比变化量没有超过 15%，且 3 种型式间变化量均匀。从图 3 所示的性能曲线变化来看， 由原型长舌改为中舌时，性能曲线变化不明显，而由中 舌改为浅舌时，扬程和效率曲线明显，而 3 种型式间面积比变化量均匀，说明隔舌的布置型式是引起离心泵性能曲线的改变重要原因。同时，由长舌改为短舌，减少 了叶轮与隔舌的冲击损失，水泵扬程增高，高效区增宽。3.2 不同隔舌型式蜗壳离心泵径向力特性分析图 4 是不同型式隔舌作用在叶轮上径向力特性图， 从图中可以看出不同工况下作用在叶轮上径向力大小不 同，设计工况下作用在叶轮上径向力较小，非设计工况 下较大；采用不同型式隔舌作用在叶轮上的径向力不同， 采用中舌和短舌均比长舌作用在叶轮上的径向力小，说 明采用中舌和短舌时改善了作用在叶轮上的径向力。图 4 不同型式隔舌作用在叶轮上径向力comparison of radial hydraulic forces on impeller of pumps with different tonguesfig.4图 5 是不同隔舌型式不同工况下作用在叶轮上径向力极坐标表示，图中箭头指示的方向代表径向力的方向， 箭头长度代表径向力的大小，从图中可以明显地看出：随着工况的变化，作用在 3 种型式隔舌的离心泵叶轮上径向力的大小和方向均相应的发生变化。设计工况下径 向力小，非设计工况下径向力大，大流量工况径向力矢 量在直角坐标系的第四象限，小流量工况下径向力矢量在第二象限。a. 扬程曲线a. 长隔舌b. 效率曲线图 3 不同型式隔舌性能曲线比较fig.3 comparison of the performance curves of pumps with different tonguesb. 中隔舌第 10 期祝 磊等：不同型式隔舌离心泵动静干涉作用的数值模拟53布，尤其在 1.4 q 工况下可以看出明显的椭圆分布。c. 短隔舌图 5 不同隔舌型式不同工况作用在叶轮上径向力极坐标图fig.5 polar diagram of radial hydraulic forces on impeller of pumps with different tongues图 7 不同工况作用在蜗壳上的径向力矢量图fig.7 vector diagram of radial hydraulic forces on volute of pumps under different running conditions图 6 是不同工况作用在叶轮上的径向力矢量图，图中某一点的矢量坐标就代表了某一时刻径向力的大小和方 向。从图中可以看出：在叶轮旋转一个周期内，作用在叶 轮的径向力大小和方向时刻都在变化，不同工况下作用在叶轮上的径向力呈明显的六角星分布（z=6），可以猜测每当叶轮扫过隔舌时，动静干涉作用增强，作用在叶轮上的 径向力增强。本人14曾用 sst 模型数值分析过离心泵（z=6） 作用在叶轮上的径向力，发现作用在叶轮上径向力整体变化趋势基本呈圆形分布，但本文用 les 模型捕捉到了明显六角星分布，说明采用 les 能跟准确捕捉离心泵内部流动 瞬态变化，能更好的捕捉动静干涉现象。图 8 中 ac 三图是不同工况不同型式隔舌作用在叶轮上径向力矢量图，从图中可以看出：在叶轮旋转一个 周期内，在设计工况下采用 3 种型式隔舌时作用在叶轮 上的径向力大小和方向变化剧烈，规律不明显，在非设 计工况下大小方向也在随时间剧烈变化，但均呈现规律的六角星分布；在 0.6q 和 1.2q 工况时，当分别采用长舌、中舌和短舌时，作用在叶轮上径向力逐渐减小，说明采 用中舌和短舌时，改善了叶轮与隔舌的冲击，从而对作 用在叶轮上的径向力有改善作用。a. 0.6q 工况注：fx，fy 分别表示在 x，y 方向上的径向力分量，q 为设计工况下流量，下同。图 6 不同工况作用在叶轮上的径向力矢量图fig.6 vector diagram of radial hydraulic forces on impeller of pumps under different running conditions图 7 是不同工况下作用在蜗壳上的径向力矢量图，在叶轮旋转一个周期内，作用在蜗壳上的径向力大小和 方向时刻都在变化，设计工况和小流量工况下径向力主 要分布在第四象限，大流量工况下径向力的分布在第三象限。各工况下作用在蜗壳上的径向力基本呈椭圆形分b. 1.0q 工况农业工程学报2011 年54c. 1.2q 工况图 8 不同工况不同型式隔舌作用在叶轮上径向力矢量图fig.8 vector diagram of radial hydraulic forces on impeller of pumps with different tongues under different running conditions图 9 是不同工况不同型式隔舌作用在蜗壳上的径向力矢量图，从图中可以看出：在叶轮旋转一个周期内， 在各工况下采用 3 种型式隔舌时作用在蜗壳上的径向力大小和方向变化剧烈，采用不同隔舌型式，作用在蜗壳 上的径向力不同，基本呈椭圆分布；在 0.6q 和 1.0q 工况 下分别采用长舌、中舌和短舌时径向力逐渐减小，方向 逐渐向 x 正半轴靠近，在 1.2q 工况下分别采用长舌、中舌和短舌时径向力逐渐减小，方向逐渐向 x 负半轴靠近。c. 1.2q 工况不同工况不同型式隔舌作用在蜗壳上的径向力矢量图图 9fig.9 vector diagram of radial hydraulic forces on volute ofpumps with different tongues under different running conditions4结论1）离心泵蜗壳由长舌改为中舌扬程效率曲线变化不 明显，改为短舌，水泵扬程增高，高效区增宽。2）非设计工况下，由长舌改为中舌，再到短舌，压 力脉动幅值都有下降，其中由中舌改为短舌时压力脉动幅值降幅较大，说明采用短舌蜗壳能改善离心泵隔舌处 压力脉动。3）采用不同型式隔舌作用在叶轮上的径向力不同， 采用中舌和短舌均比长舌作用在叶轮上的径向力小，说明采用中舌和短舌时改善了作用在叶轮上的径向力.4）在叶轮旋转一个周期内，作用在叶轮的径向力大 小和方向时刻都在变化，非设计工况下作用在叶轮上的径向力呈明显的六角星分布。采用 les 能跟准确捕捉离心泵内部流动瞬态变化，能更好的捕捉动静干涉现象。5）作用在蜗壳上的径向力大小和方向时刻都在变 化，各工况下作用在蜗壳上的径向力基本呈椭圆形分布， 尤其在 1.4q 工况下可以看出明显的椭圆分布。a. 0.6q 工况参 考 文 献spence r, amaral-teixeira j. a cfd parametric study of geometrical variations on the pressure pulsations and performance characteristics of a centrifugal pumpj.computers & fluids, 2009, 38: 12431257.guo shijie, okamoto h. an experimental study on the fluid force induced by rotor-stator interaction in a centrifugal pumpj.international journal of rotating machinery, 2003, 9(2): 135144.wang wenquan, zhang lixiang, yan yan, et al. large-eddy simulation of turbulent flow considering in flow wakes in a123b. 1.0q 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