基于计算流体动力学的离心泵空化性能研究.pdf

煤矿机械 Coal Mine Machinery Vol 31 No 10 Oct 2010 第31卷第10期 2010年10月 4结语 本系统使用了LabVIEW虚拟仪器软件 与PLC 结合设计了充分享用了计算机智能资源的全新控 制系统 实现了对整个的远程控制 传感检测数据 记录及显示 数据分析及处理等功能 上位机和下 位机PLC的有效分工使系统稳定性和适应性得到 了提高 该系统已在电厂实际生产中运行使用 稳 定性良好 参考文献 1 陈锡辉 张银宏 LabVIEW8 20程序设计从入门到精通 M 北 京 清华大学出版社 2007 2 于治福 李旭鸣 商德勇 等 基于PLC的煤矿主排水泵自动控制 系统设计 J 煤矿机械 2010 31 1 24 26 3 戴鹏飞 测试工程与LabVIEW应用 M 北京 电子工业出版社 2007 4 张桐 精通LabVIEW程序设计 M 北京 电子工业出版社 2008 作者介绍 王治刚 1971 吉林长春人 副教授 吉林大学机 电工程系教师 电子信箱 zgwang 责任编辑 卢盛春收稿日期 2010 05 17 0引言 目前 研究离心泵内空化流动主要采用空化试 验与数值模拟2种方法 空化试验由于试验机和真 机还没有完善的相似理论 而且在试验中空化的比 尺效应及其它众多影响因素尚无法有效控制 故试 验结果难以有效地反映真机的空化性能 随着计算 机科学和计算流体力学的迅速发展 借助CFD软件 对离心泵内液体空化问题进行数值模拟 受到众多 学者的关注 本研究以比转数ns 93的IS100 65 200型清 水工业泵为研究对象 采用Fluent软件 将混合流 体两相流模型与Singhal等发展的完全空化模型相 结合 对离心泵流道内的流动进行两相定常数值模 拟 预测流道内易发生空化的部位和空化程度 分 析空化对离心泵外特性的影响 1离心泵内部空化数值计算方法 1 控制方程 在Fluent6 2商用软件中选用混合模型 Mixture Model 和Singhal等发展的完全空化模型模拟离心 泵流道内的空化状况 计算模型考虑了空泡动力 学 空化流动中的相变 湍流压力脉动和流体中微 量不凝结性气体的影响 混合两相流模型是一种简 基于计算流体动力学的离心泵空化性能研究 朱文杰 1 顾伯勤1 邵春雷1 黄星路1 朱瑞松2 戴玉林2 1 南京工业大学 机械与动力工程学院 南京210009 2 中国石化扬子石油化工有限公司 南京210048 摘要 采用混合两相流模型对不同流量下IS100 65 200型离心泵内定常三维湍流空化流 场进行模拟 分析了流道中压力分布 液体发生空化的位置 空泡组分的体积比以及空化对泵外特 性的影响 结果表明 该泵具有良好的抗空化性能 所研究的工况下 空化对外特性影响较弱 计算 结果与试验数据基本吻合 表明了本文所提出的离心泵空化性能数值研究方法的可行性 关键词 离心泵 计算流体动力学 空化性能 叶片 中图分类号 TH311文献标志码 A 文章编号 1003 0794 2010 10 0051 04 Investigation into Cavitation Behavior of Centrifugal Pumps Based on Computational Fluid Dynamics ZHU Wen jie1 GU Bo qin1 SHAO Chun lei1 HUANG Xing lu1 ZHU Rui song2 DAI Yu lin2 1 College of Mechanical and Power Engineering Nanjing University of Technology Nanjing 210009 China 2 Sinopec Yangzi Petrochemical Company Ltd Nanjing 210048 China Abstract The numerical simulation of the three dimensional turbulent flow cavitation in the IS100 65 200 centrifugal pump is conducted based on the mixed model with two phase flow The distribution of pressure cavitation location and bubble volume fraction in flow channel and the cavitation effects on external characteristics are analyzed The results show that the pump has a good performance of anti cavitation and there is unobvious effect of cavitation on external characteristics under all operating conditions in this research The numerical simulation results are in good agreement with the experimental data which validates the numerical simulation method for cavitation behavior of centrifugal pumps proposed in this paper Key words centrifugal pump computational fluid dynamics cavitation behavior blade 中国石油化工集团公司科技开发基金资助项目 309007 南京工 业大学青年教师学术基金资助项目 39702008 51 第31卷第10期Vol 31No 10基于计算流体动力学的离心泵空化性能研究 朱文杰 等 化的多相流模型 通过求解混合相的动量方程 连 续性方程 能量方程 气相的体积分数方程以及相 对速度值 来模拟气液两相流动 空化模型假定各 相之间强烈耦合 且在较小空间尺度上局部平衡 在空化计算中认为液相与空泡相的时均速度相等 空泡相的扩散相当于液相的扩散 把空泡相和液相 作为统一的流体加以研究 空化流动可以用一组动 量方程描述 该动量方程中的物理量为空泡相和液 相的体积组分平均量 求解动量方程得到的速度场 由各相共享 离心泵流道内的空化流动控制方程 连续性方程 mvm m 1 m t t s s vm s svs t t t m 式中 m 混合体平均密度 vm 质量时均速度 m 空化引起的两相间传递的质量 t 液相体积分数 t 液相密度 vt 液相速度 s 气泡相体积分数 s 气泡相密度 vs 气泡相速度 动量方程 mvmvm p m vm vm mg F t tvd t s svd s m s s t t vd s vs vm vd t vt vm 式中F 体积力 m 混合相动力黏度 vd s 液相漂移速度 vd t 气泡相漂移速度 气泡相体积分数方程 s svm s svd st 3 vd st st n k 1 k k m tk vst sta 式中vd st 气泡相的相对漂移速度 vst 气泡相与液相的相对速度 a 气泡相粒子的加速度 st 粒子的弛豫时间 采用Renormalization group RNG k 模型使 上述空化流动方程组封闭 计算模型中的k和 方 程在形上与单相流相同 但其中的变量均改为混合 流体的平均量 2 离心泵几何模型 以IS100 65 200离心泵为数值计算的模型 其 主要性能参数为 流量Q 100 m3 h 扬程H 50 m 转速n 2 900 r min 效率 80 叶片数z 6 叶轮 直径D2 212 mm 根据离心泵实际工况 计算中取水 温为常温300 K 约27 此时 水的饱和蒸气压 pv 3 674 01 Pa 水的密度为 996 5 kg m3 蒸气空 泡的表面张力为 0 071 7 N m 假设水中不凝结 气体的质量组分fg 1 5 10 5 根据离心泵水力模型图的尺寸 利用软件Pro E 建立泵流道的几何模型 见图1 然后导入FLU ENT前处理软件Gambit 采用非结构化四面体单元 进行网格划分 总单元数为737 599 其中叶轮部分 的网格单元数为309 171 蜗壳部分网格单元数为 230 200 图1离心泵流道三维模型 3 计算方法与边界条件 使用有限体积法将控制方程式 1 式 2 和式 3 离散为代数方程 其中对流相采用2阶迎风格 式 扩散相采用2阶中心差分格式 在进口和出口边 界给定k和 的数值 固壁上速度满足无滑移条 件 近壁区域采用壁面函数处理 通过压力耦合的半 隐式修正SIMPLEC算法实现速度和压力之间的耦 合 为了提高计算的稳定性和收敛速度 计算分2 步 在计算域的进口断面给定速度 在计算域的出口设 置为质量出口 计算中不加载混合空化模型 设置 计算域的进口为压力进口 出口为压力出口 并根据 第一步计算出的静压和总压设定初始值 加载混合空 化模型 空化计算初场的空泡体积组分赋为0 2计算结果和分析 1 流场的压力分布 分别对进口流量为0 7 Q 0 8 Q 0 9 Q 1 0 Q 1 1 Q 1 2 Q和1 3 Q时离心泵流道内的流动进行数 值计算 计算中离心泵的工作参考压力为一个大气 压 计算得到的压力为相对压力 离心泵中截面上的 压力分布如图2所示 由图2中可见 截面上最低压 力点位于叶片进口附近 压力沿叶片径向逐渐升高 在蜗壳壁面处达到最大 流场内压力低于300 K时 饱和蒸气压pv的区域只局限于叶轮背面进口稍后 处很小的范围内 蜗壳内不具备发生空化的低压条 件 2 22 T 52 图2流场静压分布 对计算结果进行统计分析可知 在流量为1 3 Q时 泵的进口截面处静压力最低 其相对值为4 287 59 Pa 但绝对值仍高于该温度下水的饱和蒸气压 叶轮表 面压力分布如图3所示 工作面的压力大于背面的 压力 压力最低点处于叶轮背面 非工作面 进口稍 后处 压力最高点位于工作面出口处 叶轮工作面的 压力高于300 K时水的饱和蒸气压 图3叶片表面静压力 1 背面2 工作面 2 流场的空化部位与空化程度 计算结果表明 各工况下只在叶轮背面存在空 泡组分 并且各个叶片背面的空泡组分数都不相同 这与压力分布的分析所得结论相符 叶片背面设计 流量 1 0 Q 时的表面静压和空泡体积组分分布如 图4和5所示 与压力分布相对应 空泡体积组分 在压力越低的区域越高 在叶片背面进口稍后处达 到最高值 这与空泡在叶轮背面低压处生成 且空 泡体积组分达到最高 空泡随液体向前流动至某高 压处急剧缩小以致破裂的空化机理一致 图4背面静压图5空泡体积组分 空化程度最轻和最严重的情况分别发生在流量 为0 9 Q和1 3 Q时 叶片背面的空泡体积组分分布 如图6 其它各工况下 叶片表面液体的空化位置同 图6显示的情况相似 都处于叶片背面进口稍后处 空化程度介于0 9 Q和1 3 Q 对比各个工况的计算 结果发现 该离心泵在设计流量附近工作时具有较 好的抗空化性能 流量在0 9 Q时空泡体积组分最 低 此时空化危害最小 但是流量继续降低空泡组分 变大 不利于稳定安全运行 流量大于设计工况时 流量愈大叶片背面的最低压力越低 表面的空泡体 积分数也越高 空化也更为严重 a 0 9 Q b 1 3 Q 图6流量0 9 Q和1 3Q时空泡体积组分分布 2 空化对泵外特性的影响 空化会影响离心泵的扬程和流量 通过比较相 同空化余量的情况下数值模拟与实验得到的扬程差 来评估计算结果的可靠性 泵的扬程可通过计算泵 进口和出口的总压 并利用伯努利方程得到 总压 pt ps 0 5 vn 4 扬程H po gn pi gn z 5 式中ps 静压 vn 流场内流体流速 po 出口总压 pi 进口总压 z 出口和进口横截面间的垂直距离 由于第2步计算时 进出口边界条件是根据第 1步计算得到的压力值设定的 在模拟计算中 改变 泵进出口的压力值相当于气蚀实验中改变装置参 数 重复模拟计算得到装置气蚀余量NPSHa可以间 接确定对应流量下的泵临界气蚀余量NPSHc 装置 汽蚀余量为 NPSHa pi pv gn vi 2gn 6 式中vi 进口端面流体绝对速度 根据进出口的流速和面积 计算出泵的流量 将 数值计算结果与实验结果进行比较 绘制流量 扬 程 气蚀余量特性曲线 如图7所示 从图7中可以看 出 数值计算结果略高于实验结果 平均误差为 2 2 第31卷第10期Vol 31No 10基于计算流体动力学的离心泵空化性能研究 朱文杰 等 5 33e 05 4 94e 05 4 55e 05 4 16e 05 3 76e 05 3 37e 05 3 98e 05 3 59e 05 3 30e 05 1 81e 05 1 42e 05 1 03e 05 6 39e 04 2 48e 04 1 43e 04 5 34e 04 9 34e 04 X Y Z 5 33e 05 4 94e 05 4 55e 05 4 16e 05 3 76e 05 3 37e 05 3 98e 05 3 59e 05 3 30e 05 1 81e 05 1 42e 05 1 03e 05 6 39e 04 2 48e 04 1 43e 04 5 34e 04 9 34e 04 X Y Z 1 2 5 33e 05 4 91e 05 4 49e 05 4 08e 05 3 66e 05 3 24e 05 3 83e 05 3 41e 05 1 99e 05 1 58e 05 1 16e 05 7 43e 04 3 26e 04 9 08e 03 5 08e 04 9 34e 04 X Y Z 3 26e 03 3 04e 03 3 83e 03 3 60e 03 3 39e 03 3 17e 03 1 95e 03 1 74e 03 1 53e 03 1 30e 03 1 09e 03 8 68e 03 6 51e 03 4 34e 03 3 17e 03 0 00e 00 XY Z 7 29 01 6 80e 01 6 32e 01 5 83e 01 5 34e 01 4 86e 01 4 37e 01 3 89e 01 3 40e 01 3 91e 01 3 43e 01 1 94e 01 1 46e 01 9 72e 03 4 86e 03 0 00e 00 X Y Z X Y Z 1 97e 03 1 84e 03 1 71e 03 1 57e 03 1 44e 03 1 31e 03 1 18e 03 1 05e 03 9 19e 03 7 87e 03 6 56e 03 25e 03 3 94e 03 3 63e 03 1 31e 03 0 00e 00 53 4 4 可见 扬程的数值计算计算方法能有效预测离 心泵的外特性 Q m3 h 1 图7离心泵特性曲线 1 模拟值2 试验值3 NPSHa 模拟 4 NPSHr 试验 通过计算装置汽蚀余量NPSHa 发现其值都大 于泵气蚀余量NPSHr 可认为泵内无气蚀 但是模拟 结果显示各工况下均有空泡产生 其原因 实验时 泵内产生微量空泡时 不会明显影响泵的外特性 难 以检测空化时初生气泡 而数值计算通过空泡体积 组分能将局部轻微的空化反映出来 泵内各个叶 片之间压力分布不均 能导致流场内局部空化 通过 分析叶轮表面流体的空化情况 发现空化程度在各 个叶片上相差很大 在流量为1 3 Q时 空化最为严 重的叶片上空泡组分达到了0 729 但是仍然有3片 叶片上空泡组分低于0 1 这些说明了NPSHa高于 NPSHr时空泡组分存在的可能性 3结语 将混合模型与空化模型相结合 对比转数ns 93 的IS100 65 200型离心泵进行数值研究 结果表 明 该泵内部易空化区域很小 空泡体积组分在 0 9 Q 1 0 Q时最低 在设计工况下泵具有良好的抗 空化性能 在0 7 Q 1 3 Q范围内 空化对外特性影 响较弱 模拟结果与试验结果基本吻合 数值模拟方 法可用于预测离心泵的空化性能 研究结果为提高 泵的运行稳定性和抗空化性能提供了参考 参考文献 1 关醒凡 泵的理论与设计 M 北京 机械工业出版社 1987 2 陈庆光 吴玉林 刘树红 等 轴流式水轮机全流道内非定常空化 湍流的数值模拟 J 机械工程学报 2006 42 6 211 216 3 Philippe D Tomoyo S O Cavitating Flow Calculations in Industry J International Journal of Rotating Machinery 2003 9 3 163 170 4 沈宗沼 杨定军 刘爱圆 等 液固两相流泵叶轮内流场数值分析 与试验研究 J 煤矿机械 2010 31 1 56 59 5 刘宜 张文军 杜杰 离心泵内部空化流动的数值预测 J 排灌 机械 2008 26 3 19 21 6 Singhal A K Athavale M M Li H Y et al Mathematical Basis and Validation of the Full Cavitation Model J ASME Journal of Fluids Engineering 2002 124 9 617 624 作者简介 朱文杰 1984 江苏涟水人 硕士研究生 主要研究 方向 流体测控技术 电话 025 83587310 电子信箱 wenjie84 163 责任编辑 卢盛春收稿日期 2010 05 14 煤矿机械 Coal Mine Machinery Vol 31 No 10 Oct 2010 第31卷第10期 2010年10月 铣削镍基高温合金刀具耐用度的试验研究 汤多良 1 2 陈兆杰2 章宏令2 1 淮南职业技术学院 安徽 淮南232001 2 安徽理工大学 安徽 淮南232001 摘要 基于铣削镍基高温合金刀具耐用度的实验 结合铣削镍基高温合金的刀具磨损形态 影响因素的分析 得出了铣削速度对刀具耐用度影响的数学模型 提出了合理的切削工艺参数 实 例表明切削速度对刀具耐用度影响最大 关键词 铣削 镍基高温合金 刀具耐用度 切削速度 中图分类号 TG711文献标志码 A 文章编号 1003 0794 2010 10 0054 03 Stu