科技论文-冷却离心水泵流场数值模拟的研究

论文题目 冷却离心水泵流场数值模拟的研究 摘摘 要要 随着摩托车新品开发周期的加快 作为水泵制造企业提高水泵设计效率 缩短水泵的开发周期 降低开发成本 成为提高企业竞争力的重要条件 因此 本文将建立冷却离心水泵流道模型 运用 CFD 技术对水泵流道模型进行网格划分 边界设置及数值模拟分析 将不同工况下的模拟分析结果与 实物样件试验台测试结果进行对比 研究无实物模型下的冷却离心水泵开发设计的可行性 希望通过 利用三维建模和 CFD 数值模拟技术来优化冷却离心水泵的开发过程 为提高冷却离心水泵的开发效 率 降低开发生产成本提供有效途径 关键词关键词 冷却离心水泵 数值模拟 流道模型 叶轮 蜗壳 科技论文 冷却离心水泵流场数值模拟的研究 第 I 页 目目 录录 1 绪论 1 2 水泵的 CFD 数值模拟设置 1 2 1 数值模拟的 CFD 流道模型建立 2 2 2 模型的网格化分 3 2 2 1 叶轮的网格划分 4 2 2 2 蜗壳的网格划分 5 2 3 冷却离心水泵的边界设置 6 2 3 1 模型边界设置 6 2 3 2 软件边界设置 7 2 3 3 数值模拟收敛判定 8 3 数据验证 9 3 1 CFD 数值模拟数据 9 3 1 1 模型的进口和出口总压力 9 3 1 2 模型的质量流量和体积流量 11 3 1 3 CFD 模拟数据 13 3 2 试验测试数据 13 3 3 性能指标的数据对比 16 4 总结与展望 16 科技论文 冷却离心水泵流场数值模拟的研究 第 II 页 图表清单图表清单 图 2 1 叶轮和蜗壳 CFD 流道模型 2 图 2 2 冷却离心水泵 CFD 流道模型 3 图 2 3 导入的冷却离心水泵 CFD 流道模型 3 图 2 4 隐藏蜗壳流道模型操作步骤 4 图 2 5 叶轮网格划分 4 图 2 6 蜗壳网格划分 5 图 2 7 整机网格图 5 图 2 8 模型边界设置 6 图 2 9 结合面合并设置 7 图 2 10 残差曲线图 9 图 3 1 不同转速下 进口总压力图 10 图 3 2 不同转速下 出口总压力图 11 图 3 3 不同转速下 质量流量平衡图 12 图 3 4 冷却离心水泵 不同转速下体积流量平衡图 12 图 3 5 性能试验台试验数据显示 14 表 1 1 冷却离心水泵性能设计参数 1 表 3 1 不同转速下 CFD 数值模拟数据统计 13 表 3 2 不同转速下 试验样件试验数据统计 15 表 3 3 试验数据与 CFD 数值模拟数据对比表 16 科技论文 冷却离心水泵流场数值模拟的研究 第 1 页 1 绪论 作为发动机水冷系统的主要动力 冷却离心水泵的性能好坏以及工作的可靠程度 直接影响着发 动机水冷系统乃至整个摩托车发动机的工作性能 因此 冷却离心水泵作为机车发动机系统的重要组 成部分 对其的研究需求也日益提高 同时 随着冷却离心水泵生产制造行业的竞争日趋激烈 缩短 水泵的开发周期 缩减开发成本 也日渐成为各个生产企业的主要竞争手段 冷却离心水泵内部流体的流动非常的复杂 即使已经有了水泵的主要参数 还是需要通过计算进 行校验 然而单纯的依靠理论计算又很难得到其内部的流场特性 因此 我司在开发生产冷却离心水 泵的过程中 除了进行理论计算之外 还需要制作快速成型样件来进行试验 根据试验的结果进行修 改调整实物模型的流道参数 再反复试验 直到满足客户对水泵的性能要求 按照调整好的样件模型 小批量加工制造或采购离心水泵的各部件 当冷却离心水泵组装完成后 进行气密性试验和再次进行 性能试验 根据结果调整产品的加工精度和工艺过程 最终完成冷却离心水泵的开发过程 在设计开 发的过程中 由于无法准确掌握离心水泵内部流场的流动情况 需要通过试验反复验证 反复调整 消耗了大量的人力 物力和财力等 同时 同类产品的竞争越来越激烈 我司目前的开发过程较繁 琐 耗时漫长 满足客户要求的交付期限困难重重 如何在确保冷却离心水泵的设计准确性和可靠性 的同时 又能提高水泵设计效率 缩短水泵的开发周期 降低开发成本 成为我司提高竞争力的重要 条件 本文将以我司的开发一款冷却离心水泵为研究对象 采用 CFD 数值模拟技术对其进行流场模拟 并将模拟结果与试验结果对比分析 研究无实物模型情况下对冷却离心水泵结构及性能参数确定的可 行性 该款冷却离心水泵为单级单吸型离心水泵 流动介质为工业用清水 按照客户的使用要求 该 水泵的性能设计参数如表 1 1 所示 表 1 1 冷却离心水泵性能设计参数 流量Q minL 扬程H m 转速n minr 装置汽蚀余量 a NPSH m 效率 介质 14 3 4000 0 5 72 工业用清水 2 水泵的 CFD 数值模拟设置 冷却离心水泵的设计开发周期之所以漫长是因为离心水泵的内部流场运动非常复杂 无论是理论 还是试验的方法都不能准确的对泵内的流体流动规律加以描述 所以需要在理论支持下的反复试验测 试调整 以达到理想的水泵性能 科技论文 冷却离心水泵流场数值模拟的研究 第 2 页 CFD 数值模拟技术一种基于计算机并行技术的模拟工具 能够通过对计算机结果的可视化处理预 测冷却水泵内部的复杂流场情况 并且可以大量缩短产品的设计开发时间 数值模拟技术优化设计的 基本思想是 根据数值模拟分析的结果 调整水泵的几何参数 使得水泵内的液体流态接近理想流 态 大量资料显示 1 5 现代设计方法能够通过数值模拟计算 掌握离心水泵的内部流场情况 发现不 良流动现象 为改进结构 消除缺陷提供依据 从而显著提高冷却离心水泵的设计效率及质量 缩短 开发周期 降低开发成本 随着计算机流体力学和计算机技术数值模拟计算方法的日趋成熟 现代设 计方法已越来越多的应用于工程设计与优化领域 特别是应用于水泵的设计和优化过程中 为解决实 际工程问题开辟了道路 2 1 数值模拟的 CFD 流道模型建立 冷却离心水泵的模型网格划分的主体是离心水泵的 CFD 流道模型 CFD 数值模拟软件分析需要 的是流体所经过的区域 理论上应保留所有流道模型 但是在一般情况下 我们可以在不影响整体结 构和流道真实性的前提下 对流道区域做一定的简化 如下图 2 1 所示剪切去叶轮和蜗壳模型除流道 以外的其他部分 只保留流道区域建立 CFD 流道模型 将叶轮和蜗壳的流道模型组装成离心水泵的 CFD 流道模型 如图 2 2 所示 完成离心水泵叶轮和蜗壳的流道模型和离心水泵的 CFD 流道模型后 将离心水泵的流道模型保存 为 STP 格式 就可以开始利用 CFD 数值模拟技术对叶轮和蜗壳进行网格划分 a 叶轮流道模型 b 蜗壳流道模型 图 2 1 叶轮和蜗壳 CFD 流道模型 科技论文 冷却离心水泵流场数值模拟的研究 第 3 页 图 2 2 冷却离心水泵 CFD 流道模型 2 2 模型的网格化分 采用 GAMBIT 软件对水泵的 CFD 流道模型进行网格划分 打开 GAMBIT 软件 导入 STP 格式 的冷却离心水泵 CFD 流道模型 如图 2 3 所示 由于导入的模型是由叶轮和蜗壳装配而成 所以网格 划分需要也要分成两部分进行 并在网格划分的过程中将不需要划分的部分隐藏起来 有利于后面边 界条件的设置 此外 导入的实体模型往往会有很多小碎面 这些小碎面会影响到后面的网格划分 所以需要在进行网格划分之前需要先合并这些小碎面 图 2 3 导入的冷却离心水泵 CFD 流道模型 科技论文 冷却离心水泵流场数值模拟的研究 第 4 页 2 2 1 叶轮的网格划分 将蜗壳部分先隐藏起来只保留叶轮部分 操作如图 2 4 所示 得到叶轮流道图形 如图 2 5 a 所 示 下面就可以对叶轮部分单独进行网格划分了 离心水泵叶轮的网格划分原则上来说 最好将叶轮进行分块后再结构性网格划分 但这样往往会 大大的增大网格的数量 同时对计算机资源要求也更高 6 同时考虑到本课题中离心水泵叶轮流道模 型的几何形状 采用的是适应性较强的非结构化混合网格 虽然相对来说速度会慢一些 但这样生成 网格的成功率比较高 图 2 4 隐藏蜗壳流道模型操作步骤 选择网格单元 Tet Hybrid 网格划分类型 T Grid 网格间距为 1 软件运行后得到叶轮的网格图 如图 2 5 b 所示 完成叶轮网格划分 共划分网格单元 132209 个 a 分离后叶轮流道图 b 叶轮网格图 图 2 5 叶轮网格划分 科技论文 冷却离心水泵流场数值模拟的研究 第 5 页 2 2 2 蜗壳的网格划分 采用同样的方法隐藏叶轮图形 如图 2 6 a 所示 同样选择网格单元 Tet Hybrid 网格划分类型 T Grid 网格间距为 1 软件运行后得到蜗壳网格图 如图 2 6 b 所示 完成蜗壳网格划分 共划分 网格单元 273277 个 a 分离后蜗壳流道图形 b 蜗壳网格图 图 2 6 蜗壳网格划分 至此 整个离心水泵 CFD 流道模型的网格划分完成 如图 2 7 所示 网格单元数 405486 个 下 一步就可以开始进行离心水泵的边界设置 图 2 7 整机网格图 科技论文 冷却离心水泵流场数值模拟的研究 第 6 页 2 3 冷却离心水泵的边界设置 在完成三维建模和网格划分之后 就要开始进行冷却离心水泵模型的 CFD 数值模拟基本设置 这 需要分别在 GAMBIT 软件和 FLUENT 软件中指定各个边界条件 2 3 1 模型边界设置 CFD 数值模拟的基本设置 首先需要在 GAMBIT 软件中指定各个模型的边界条件 因为在流体 分析中要遵循质量守恒定律 所以要指定进出口边界 在 GAMBIT 软件中设置叶轮的进出口边界条 件 分为指定求解器 指定边界类型 指定体的类型三个步骤 具体过程如下 7 1 指定求解器 在菜单中选定 FLUENT5 6 为指定求解器 2 指定边界类型 打开边界类型的定义对话框 分别制定如图 2 8 a 所示内容 3 指定体的类型 打开体类型的定义对话框 指定叶轮和蜗壳的体类型为 FLUID 并分别命名为 yelun fluid 和 woke fluid 如图 2 8 b 所示 以上操作完成后 就得到了包含边界类型信息和体类型信息的离心水泵网格模型 将网格模型 以 mesh 格式进行存盘 a 边界类型设置 b 体类型设置 图 2 8 模型边界设置 科技论文 冷却离心水泵流场数值模拟的研究 第 7 页 2 3 2 软件边界设置 在进行求解之前 还需要在 FLUENT 软件中做一些设置 8 9 进入 FLUENT 软件 将之前设置的 两个 INTERFACE 类型的面 即叶轮和蜗壳结合面 进行合并 合并之后才能有能量的传递 如图 2 9 所示 图 2 9 结合面合并设置 1 流体边界条件 冷却离心水泵的介质是工业用清水 所以将所有流体全部设置为液态水 其中叶轮在计算中是做 旋转运动的 设置为移动参考 转速按冷却离心水泵的设计条件 4000r min 进行设置 叶轮的中心线 为旋转轴 平移运动速度设置为 0 蜗壳设置为静止状态 2 进口边界条件 在 FLUENT 中选用进口边界条件时 一般离心水泵的进口边界选用速度进口边界条件 假定叶轮 进口处的流动是轴对称的 速度只有轴向分量 那么叶轮进口处的速度可以按照公式 2 1 进行计算 inlet inlet Q V A 2 1 式中 inlet V 叶轮进口速度 mm s Q 水泵流量 minL inlet A 叶轮的进口面积 2 mm 计算后可得到叶轮的进口速度 403 5 inlet Vmm s 3 出口边界条件 科技论文 冷却离心水泵流场数值模拟的研究 第 8 页 根据试验台的出口流量是体积流量 所以在这里将出口边界条件设置为出口质量流量 之后可以 根据公式 2 2 换算成体积流量 m Q 2 2 式中 m 质量流量 g s 冷却介质的密度 3 gcm 4 湍流模型 采用标准k 模型 需要对湍动能k和耗散率 进行定义 湍动能及湍流耗散率可以按如下公式 计算 湍流强度 I 1 8 0 16 eDH IR 2 3 湍动能k 2 3 2 kuI 2 4 湍流耗散率 3 4 3 2 k C l 2 5 式中 eDH R 水力直径计算的雷诺数 u 平均速度 C 常数 l 湍流长度尺度 0 07lL L按等效管径计算 2 3 3 数值模拟收敛判定 进行迭代计算 通过监控控制方程的残差曲线的变化情况来确认收敛与否 如果残差随着迭代的 继续逐渐变小 并且所有收敛残差结果都小于103e 时 认为计算结果收敛 如果残差在高位震荡 就需要检查边界条件 初始条件等是否合理 冷却离心水泵的残差曲线图如图 2 10 所示 从图中可以看出 随着迭代次数的增加 曲线中残差 结果在104 103ee 之间 说明我们之前对于冷却离心水泵流道模型的网格划分 边界条件和初 始条件的设置是比较合理的 如此 我们可以进入 CFD 数值模拟步骤了 科技论文 冷却离心水泵流场数值模拟的研究 第 9 页 图 2 10 残差曲线图 3 数据验证 冷却离心水泵的内部流场非常的复杂 现阶段无论是理论计算还是试验验证都不能十分准确的把 握水泵内部的流体流动情况 通过分别收集同等工况条件下的冷却离心水泵的 CFD 数值模拟数据和试 验测试的数据 将这两部分的数据结果以及冷却离心水泵的开发流程进行对比 来充分验证冷却离心 水泵流场数值模拟的有效性和可行性 3 1 CFD 数值模拟数据 按照冷却离心水泵性能测试台的试验条件 分为转速为2000 minr和4000 minr两种不同工 况 选用标准k 模型来进行数值模拟 3 1 1 模型的进口和出口总压力 图 3 1 和图 3 2 分别所示的是 CFD 数值模拟软件设定冷却离心水泵在转速为2000 minr和 4000 minr两种不同工况下 冷却离心水泵的内部流场数值计算的进口总压力曲线图和出口总压力 曲线图 科技论文 冷却离心水泵流场数值模拟的研究 第 10 页 a 设定转速为2000 minr b 设定转速为4000 minr 图 3 1 不同转速下 进口总压力图 a 设定转速为2000 minr 科技论文 冷却离心水泵流场数值模拟的研究 第 11 页 b 设定转速为4000 minr 图 3 2 不同转速下 出口总压力图 冷却离心水泵在运行过程中 冷却水从进口流向出口 其内部压力是一个不断增大的过程 在粘 性力和惯性力的作用下 压力随着蜗壳半径的增大逐渐增大 结合图 3 1 和图 3 2 分析后可以看出 随 着迭代次数的增加 压力值逐渐趋于稳定 这表明该冷却离心水泵在建模时所选取的参数是较为合理 的 不同转速工况下的进口和出口总压力模拟值也可以通过曲线图来读出 3 1 2 模型的质量流量和体积流量 样件试验中我们还测试了冷却离心水泵的流量值 为了保证对比数据的统一性 在此我们同样需 要利用 CFD 数值模拟技术来模拟冷却离心水泵的流量情况 图 3 3 和图 3 4 分别所示的是 CFD 数值模 拟软件设定冷却离心水泵在转速为2000 minr和4000 minr两种不同工况下 冷却离心水泵的内部 流场数值计算的质量流量曲线图和体积流量曲线图 详见表 3 1 科技论文 冷却离心水泵流场数值模拟的研究 第 12 页 a 设定转速为2000 minr b 设定转速为4000 minr 图 3 3 不同转速下 质量流量平衡图 a 设定转速为2000 minr b 设定转速为4000 minr 图 3 4 冷却离心水泵 不同转速下体积流量平衡图 科技论文 冷却离心水泵流场数值模拟的研究 第 13 页 结合图 3 3 和图 3 5 分析后可以看出 质量流量与体积流量的曲线形态几乎相同 表明该冷却离心 水泵的质量流量与体积流量呈正比例关系 符合设计规范的要求 同时 随着迭代次数的增加 质量 流量和体积流量值逐渐趋于平衡 符合质量守恒定律 这表明该冷却离心水泵在建模时所选取的参数 是较为合理的 而且该水泵的稳定性较好 3 1 3 CFD 模拟数据 冷却离心水泵不同转速工况下的质量流量和体积流量模拟值也可以通过曲线图来读出 详见表 3 1 表 3 1 不同转速下 CFD 数值模拟数据统计 转速 minr 出口总压力 kPa 进口总压力 kPa 质量流量 kgs 体积流量 3 ms 2000 12 5 7 5 0 28 3 0 3 10 4000 25 0 5 0 0 39 3 0 41 10 在数值模拟的过程中 将软件初始设置设定为与试验台测试相同的转速条件 使用 FLUENT 提供 的表面积分功能 可以得到分别在转速为2000 minr和4000 minr条件下 叶轮进口总压和蜗壳出 口总压的 CFD 数值模拟数据 通过进一步的软件运行 我们还可以得到的冷却离心水泵的出口质量流 量 出口体积流量的 CFD 数值模拟数据 从而换算出水泵扬程的 CFD 数值模拟数据 3 2 试验测试数据 试验需要搜集的信息主要是以工业用清水为介质 在不同工况转速下 水泵的出口压力和流量的 数据情况 试验测试是一个反复验证的繁琐过程 因此 为了将验证 CFD 数值模拟数据的有效性和可 靠性 在此我们选用数次试验后 试验效果较为良好的 3 个水泵样件进行试验数据的收集 在进口压 力同为10kPa 的条件下 3 个实物样件将分为转速为2000 minr和4000 minr两组进行试验 分 别记录 3 个水泵样件的流量和出口压力试验结果 由于试验台的转速和进口压力都是通过旋钮手动调 节 存在一定的误差 所以转速的误差范围设定为15 minr 进口压力的误差范围设定为 2kPa 具体试验数据读数如图 3 5 所示 根据三个样件的试验数据按照不同工况进行分类汇总 如表 3 2 所示 科技论文 冷却离心水泵流场数值模拟的研究 第 14 页 a 1 号样件 测试转速4000 minr b 1 号样件 测试转速2000 minr c 2 号样件 测试转速4000 minr d 2 号样件 测试转速2000 minr e 3 号样件 测试转速4000 minr f 3 号样件 测试转速2000 minr 图 3 5 性能试验台试验数据显示 科技论文 冷却离心水泵流场数值模拟的研究 第 15 页 表 3 2 不同转速下 试验样件试验数据统计 样件 实际设定值 试验测量值 转速 minr 进口压力kPa 流量 minL 出口压力kPa 水温C 1 号 工况 1 4004 11 2 27 6 27 7 59 2 工况 2 2015 8 8 12 1 0 8 87 9 2 号 工况 1 4002 8 7 26 7 20 4 87 8 工况 2 2015 8 9 12 2 1 0 87 9 3 号 工况 1 3991 8 6 27 8 23 7 44 4 工况 2 2015 8 7 11 6 06 87 9 从上表中的试验数据可以看出 在设计要求转速4000 minr的条件下 离心水泵的参数取值相对 来说还是合理的 相同进口压力情况下 转速越高流量和出口压力值越大 但是在低转速2000 minr 时 达到水泵稳定运行状态 水泵内的水温较高 这里仅仅对三个相同状态的样件进行的试验 所得 出的数据其准确性还是不够的 因此 实际生产过程中 需要在合理参数范围参数内 制作数个不同 状态的样件 反复进行多次测试来验证设计的合理性 如此一来 所耗费的时间 人力 物力 财力 都会更多 采用数值模拟技术分析离心水泵内部流场以后 此项水泵性能测试将移至产品样件生产完成后对 组装好的样件进行测试 其数据结果将用于产品生产调试和装配过程中调整的重要参考依据 受条件所限 冷却离心水泵试验测试阶段中 我们可以得到在进口压力一定的情况下 水泵的流 量和出口压力的试验数据 却无法直接获取水泵的试验扬程数据 冷却离心水泵的扬程值确是根据冷 却离心水泵的扬程定义公式 3 1 需要进一步换算得出的 将试验中 3 个不同实物样件的冷却离心水泵流量和进出口压力的试验数据取平均值 参考表 3 2 我们便可以换算出冷却离心水泵的试验扬程值 INOUT CFD PP HZ g 3 1 式中 CFD H 水泵模拟扬程 m IN P 水泵进口总压力 Pa OUT P 水泵出口总压力 Pa 水的密度 3 kgm g 重力加速度 2 m s Z 蜗壳出口与叶轮进口在垂直方向上的距离 m 科技论文 冷却离心水泵流场数值模拟的研究 第 16 页 3 3 性能指标的数据对比 冷却离心水泵水泵的转速来源于电动机对水泵轴所输出的功率 其对冷却离心水泵的流量和扬程 等性能指标起到至关重要的作用 因此 冷却离心水泵的性能指标考核点主要是水泵的流量和扬程 为了验证优化设计 CFD 数值模拟数据的有效性和可靠性 我们将试验数据和 CFD 数值模拟数据进行 对比 如表 3 3 所示 表 3 3 试验数据与 CFD 数值模拟数据对比表 转速 minr 试验流量 minL CFD 计算流量 minL 试验扬程 m CFD 计算扬程 m 2000 11 97 9 89 0 98 1 02 4000 27 27 23 44 3 41 3 13 从数据对比表可以看出 当冷却离心水泵的设计工况为转速4000 minr时 CFD 数值模拟数据 与试验数据都在客户要求的14 minL以上 满足冷却离心水泵流量的性能指标 对比冷却离心水泵 的流量值和扬程值 CFD 模拟值与试验值偏差较小 这表明对冷却离心水泵的性能预测中 CFD 数 值模拟数据与试验数据取得了较好的一致性 因此 在冷却离心水泵的设计中 利用数值模拟技术可 以取代前期繁琐的试验测试和样件修模的过程 然而 为了确保冷却离心水泵的性能稳定 试验测试还是必不可少的步骤 为此 我们将试验阶 段调整至离心水泵基本定型后的小批量生产中 为冷却离心水泵的性能提供进一步的可靠保障 4 总结与展望 本文从摩托车用冷却离心水泵的开发生产角度出发 采用采用三维建模和 CFD 数值模拟技术相结 合的方法 建立冷却离心水泵的 CFD 流道模型 采用前处理软件 GAMBIT 对冷却离心水泵的 CFD 流 道模型进行网格划分 设置边界值 运用 FLUENT 软件进行 CFD 数值模拟的设置 分析和研究冷却 离心水泵的结构和内部流场 并将快速成型样件的试验测试数据与软件的数值模拟数据进行分析比 对 验证了无实物模型下数值模拟软件对离心水泵的流场模拟的