混流泵径向间隙对内部非定常流场影响的分析.pdf

2 0 1 4年第 4 2 卷第3期 流体机械 1 9 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 4 0 3 0 0 1 9 0 5 混流泵径向问隙对内部非定常流场影响的分析 刘建瑞 郑俊峰 付登鹏 王鹏 江苏大学流体机械工程技术研究中心 江苏镇江2 1 2 0 1 3 摘要 采用调整混流泵径向间隙的方法 设计了蜗壳基圆直径为 2 8 0 2 9 0 3 0 0 mm的计算模型 并对其进行了定常和 非定常计算 通过对 3种模型进行非定常数值计算 得到了不同基圆直径混流泵的压力脉动特性并对其进行比较分析 结果表明 叶轮旋转时叶片和隔舌的动静干涉作用导致蜗壳近壁面各监测点的压力脉动具有明显的周期性 在相同流量 下 径向间隙越小 监测点频域振幅越大 隔舌处监测点压力脉动幅度大于其他监测点幅度 对基圆直径为 2 9 0 mm的泵 进行数值模拟与外特性试验研究 泵模拟效率为8 2 3 试验效率为 8 0 模拟效率比试验效率高 2 3 对比两者结果 可知 数值模拟的结果是可信的 关键词 混流泵 非定常流动 间隙 压力脉动 中图分类号 T H 3 1 3 文献标志码 A d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 4 0 3 0 0 5 Effe ct o f Vo l u t e To n g u e imp e l l e r Ga p s O il t h e Un s t e a d y F l o w i n M i x e d flo w P u mp L I U J i a n r u i Z HE NG J u n f e n g F U D e n g p e n g WANG P e n g R e s e a r ch C e n t e r o f F l u i d Ma ch i n e r y E n g in e e rin g a n d T e ch n o l o g y J i a n g s u U n i v e r s it y Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3 C h i n a Ab s t r a ct T h e t h r e e d i me n s io n a l s t e a d y a n d u n s t e a d y n u me r i cal me t h o d w a s a p p l i e d t o s imu l a t e t h e fl o w in t h e mi x e d p u mp w it h d iff e r e n t v o l u t e ca s in g s T h e b a s e cir cl e d i a me t e r s o f t h r e e v o l u t e ca s in g s we r e 2 8 0 mm 2 9 0 mm a n d 3 0 0 mm t h e ch a r a ct e rs o f the p r e s s u r e flu ct u a t i o n w e r e o b t a i n e d w it h d i ff e r e n t b a s e cir cl e d ia me t e r s T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r e s s u r e p u l s a t i o n p r e s e n t e d a n o b v io u s p e ri o d ici t y At t h e s a me fl o w r a t e t h e s mall e r t h e r a d i al cl e a r a n ce t h e l a r g e r f r e q u e n cy d o ma i n o f p res s u r e fl u ct u a t i o n a t e a ch mo n i t o ri n g p o in t Th e flu ct u a t i o n am p 1 i t u d e n e a r the v o l u t e t o n g u e is l arg e r t h a n o t h e r p o i n t s F o r t h e mix e d p u mp w it h 2 9 0 mm v o l u t e b a s e cir cl e d ia me t e rs it s p e r f o r ma n ce e x p e ri me n t s an d n u me ri c s imu l io n s we re d o n e Th e calcu l a t e d r e s u l t s are i n g o o d a g r e e me n t w it h me a s u r e me n t r e s u l t s Nu me r ical s i mu l a t i o n is b e l ie v a b l e Ke y wo r d s mix e d fl o w p u mp u n s t e a d y fl o w g a p p r e s s u r e fl u ct u a t io n 1 前言 混流泵是一种普遍应用于排涝 防洪 浇灌等 诸多方面的优秀泵型 具备流量和扬程变化范 围 广 高效运行区宽等优点 J 为研究并提高该类 型水泵的性能 人们 对混流泵 内部复杂流场进行 了大量的数值模拟与实验研究 如 C u g a l 利用 三 孑 L 探对混流泵内部流动进行 了测量 并测试 了其 流量 扬程及功率等外特性 2 K A T O等对混流泵 内部进行 了大涡模拟 分析 了混流泵 内部动静 干 涉引起的非定常流动 MU G G L I 等从开关全关 调到最大流量工况下混流泵的内流场进行 了数值 模拟 并预测水泵性能 杨敏等运用数值模拟 方法分析双蜗壳的压力脉动特性和叶轮径向力矢 量分布 S o l i s M等通过改变隔舌安放角的方式 来调整叶轮与隔舌间隙 研究 了离心泵 内部压力 脉动的变化情况 J 许多研究表明 蜗壳和叶轮 互相干扰所产生 的压力脉动 是影响混流泵稳定 运行的重要因素 会导致设备的噪声和振动 严重 时甚至会损坏系统设备 卜m J 但到目前为止 混 流泵隔舌间隙大小变化对其 内部流场影响的研究 还较少 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 0 9 修稿 日期 2 0 1 4 0 2 1 7 基金项目 国家科技支撑计划项目 2 0 1 1 B A F 1 4 B 0 2 江苏省科技支撑计划项 目 B E 2 0 1 0 1 1 6 F LUI D MACHI NERY Vo 1 4 2 No 3 2 01 4 在本文 中 保证 叶轮参数 隔舌安放角及蜗壳 各断面形状不变 通过改变蜗壳的基圆直径 D 改 变叶轮与隔舌问的间隙 设计了基圆直径分别为 2 8 0 2 9 0和 3 0 0 m m的 3种模型 对水泵进行了定 常和非定常数值模拟 对不 同基圆尺寸时压水室 上的监测点的压力脉动特性进行研究 2 计算模型 模型泵的技术参数为 流量 q 9 0 0 m h 扬 程 H 2 0 m 转速 7 2 0 0 0 r mi n 叶片数 Z 4 叶 轮出口直径 D 2 7 0 m m 3种不同蜗壳基 圆直径 D分别为 2 8 0 2 9 0和 3 0 0 m m 3种基 圆尺寸隔舌 示意如图 1所示 图1 3种基圆尺寸隔舌间隙示意 流场的计算域 由叶轮 蜗壳 泵 腔 人 口管和 出口管组成 如图 2所示是泵全流场三维造型 图 2 计算模 型 选用有限体积法进行离散求解 应用 A N S Y S C F X 1 2 0线性求解器和 S S T模型 对连续方程和 动量方程组进行同时求解 选用 I C E M软件对模 型进行非结构化 网格划分 并对交界 面处 网格进 行局部加密 文 中对模型 网格数为 2 1 0 2 4 2 2 7 0 和3 1 0万 4 种情况下的扬程 效率及轴功率进行 比较 发现当网格数为 2 7 0万时计算结果 已无明 显差别 定常模拟时进 口边界条件采用速度进 口 出 口边界条件采用开放式出口 非定常数值模拟时 以定常收敛结果作为初始值 叶轮每旋转 3 作为 非定常计算的一个时间步长 即0 0 0 0 2 5 s 为了 非定常分析的准确性 将叶轮旋转7 个周期 取第 7个周期的计算结果用于分析 在隔舌以及靠近 蜗壳壁面处设置若干测点监测压力脉动的变化规 律 各监测点的位置如图 3所示 图 3 监测点位 置 3 计算结果及分析 3 1 3种基 圆尺寸泵性能预测 通过对 3种基圆尺寸泵进行的三维定常数值 模拟 预测 了设计工况下不 同基圆直径蜗壳泵的 水力性能 如表 1 所示 表 1 不同基圆直径泵的性能比较 性能参数 D 2 8 0 m m D 2 9 0 m m D 3 0 0 m m 扬程 m 2 1 3 2 1 9 4 2 1 3 7 效率 8 1 8 2 3 8 1 5 l 功率 K W 7 3 1 7 4 7 3 2 7 7 2 9 3 由表 1中可知 在叶轮参数不变的情况下 增 加蜗壳基圆尺寸 泵 的扬程 效 率均先增大后减 小 说明适当增大基 圆直径能提高水泵的扬程和 效率 且存在一个使水泵的扬程和效率达到最优 的最佳基圆直径 3 2内部流场分析 3 2 1 不 同基 圆直 径对 压水 室 内流 场 的影 响 分析 在额定工况的非定常计算 时 选取 叶片刚掠 过隔舌的 t 时刻 研究蜗壳基圆直径变化对泵 内 压力和速度分布的影响 如图 4所示为 t 时刻 蜗壳中截面上的压力分布 由图 4可知 随着 隔 舌问隙的变化 蜗壳 内压力变化非常明显 蜗壳内 高压 区范围随着隔舌间隙的增大明显变大 特别 是当蜗壳基圆直径 D 3 0 0 m m时 直锥管 内的高 压区范 围最大 扩散至水泵出口 2 2 FLUI D MACHI NERY Vo 1 42 No 3 2 01 4 化规律 基 本 相 同 在 3种 模 型 中 由于 D 3 0 0 m m模型叶轮与蜗壳之间的间隙最小 所以 D 3 0 0 m m中截面的静压变化最为明显 3 3 压力脉动特性分析 叶轮出口和蜗壳进 口存在周期性变化 的边界 条件 这种周期性非定常动静干涉引发的压力脉 动是引发水泵系统的噪声和振动的主要因素 利 用 压 力 脉 动 参 数 C 来 度 量 泵 内 压 力 脉 动 大小 1 7 C p a p O 5 p u 式中却 监测点压力值与其平均值的差值 P 液体密度 1 t 叶轮出口圆周速度 图 8所示为 3种基圆直径的计算模型在额定 工况下旋转一周隔舌处压力脉动时域图 可以看 出 在额定流量下隔舌处压力脉动随着旋转周期 性变化 在各工况下 D 2 8 0 m m 的计算模型隔 舌处的压力脉动的脉动幅值最大 随着基圆直径 的增大 隔舌处的脉动幅值明显减小 因此可知 适当地增大蜗壳基 圆直径可 以改善泵隔舌处的脉 动情况 O 0l 5 t s 图8 不同基圆直径蜗壳隔舌处压力脉动时域 Q Q 将各点压力脉动数据进行 快速傅里 叶变换 F 兀 变换 得到各点频域 图 如图 9所示 0 5 0 0 f Hz 额定流量下只在低频 区出现了明显的压 力脉动 基圆 D 2 8 0 mm主频的幅值最大 压力脉动最明 显 D 2 8 0 m m时的最大压力系数幅值约为 D 2 9 0 mm 时 的 1 2倍 约 为 D 3 0 0 mm 时 的 1 5倍 3种不同基 圆直径下 蜗壳 内壁各监测点的 压力脉动频域如图 1 O 1 2所示 O 5 0 0 f Hz 0 0 2 0 0 01 0 0 0 00 P 0 5 0 0 f Hz O 5 00 f Hz 域 点频域 0 20 0l 0 00 0 图 1 2 D 3 0 0 ra m蜗壳 内壁各监测点频域 从图可以看出 不同基圆直径下 监测点距离 叶轮出口越远 振动的幅值越小 但并不是随着圆 周方向一直减小 隔舌处的动静干涉最剧烈 所以 P 点脉动幅值高于其它监测点 P 点幅值高于 P 2 点 P 点幅值略高于 P 4 点 通过对比3 个图 可知 增大基圆直径 蜗壳内各对应测点的压力脉 动幅值减小 高频脉动成分减小 这说明恰 当增大 蜗壳基圆直径能改善 内壁压力脉动情况 4性能试验 图 9 隔舌监测点处不同基圆直径压力脉动频域 可以看出 不同蜗壳基圆直径下计算模型在 对基圆直径为2 9 0 m m的水泵在开式试验台 2 0 1 4 年第4 2 卷第 3期 流体机械 上进行性能试验 测试结果与数值模拟结果的对 比如图 l 3所示 图 l 3 试验结果与数值模拟结果 从图 1 3可以看 出 模拟结果和试验结果吻合 良好 其中扬程和效率的模拟值均比试验结果略 高 最大相对误差分别为 5 3 6 2 3 由此表 明该模型可以准确地预测该泵的性能 验证了数 值模拟的准确性 5结论 1 由于叶片和隔舌周期性变化的动静干涉 作用 不同基圆直径下蜗壳 内各监测点压力脉动 具有明显周期性 2 在额定流量时 3种蜗壳基圆直径下水泵 内流场总体较好 蜗壳近壁面监测点的压力脉动 具有周期性 叶片与隔舌处的动静干涉作用是引 起压力脉动的主要原 因 3 对蜗 壳基 圆直 径为 2 9 0 mm的泵进行 数 值模拟与性 能试验 泵模 拟效率 8 2 3 试验效 率 8 0 对比分析结果表明数值模拟的结果是可 信的 参考文献 关醒凡 杨敬江 袁建平 等 高 比速斜流泵水力模 型试验研究 J 水泵技术 2 0 0 2 4 3 8 C u g al M F o p all a k r is h n a n S F e ma n R S E x p e r ime n t al a n d n u me ri c a l fl o w fi e l d an a l y s is o f a mix e d fl o w p u m p i m p e l l e r J A S ME F l u i d E n g in e e rin g D i v is i o n P u b l ica t i o n 1 9 9 6 2 3 9 4 1 6 7 1 7 4 Ka t o C S h imiz u H Ok a mu r a T L a r g e e d d y s imu l a t io n o f u n s t e a d y fl o w in a mi x e d fl o w p u m p J T r ans a ct i o n o f t h e J a p a n S o ci e t y o f Me ch ani cal E n g i n e e r s P a r t B 2 0 0 2 6 8 6 7 0 1 7 2 9 1 7 3 6 Mu g g l i F Ho l b e in P Du p o n t P C F D calcu l a t io n o f a mix e d fl o w p u mp ch a r a ct e ri s t ic f r o m s h u t o ff t o ma x i m u m fl o w J A S ME J o u r n al o f F l u id s E n g i n e e rin g 2 0 0 2 1 2 4 3 7 9 8 8 0 2 5 杨敏 闵思明 王福军 双蜗壳泵压力脉动特性及叶 轮径向力数值模拟 J 农业 机械 学报 2 0 0 9 4 0 1 1 8 3 8 8 6 S o l is M B a k i r F K h e l l a d i S P r e s s u r e fl u ct u a t i o n r e d u ct io n in ce n t ri f u g a l p u mp s in fl u e n ce o f imp e l l e r g e o m e t ry a n d r a d ial g a p c P me e e d i n o f t h e A S ME 2 0 0 9 F l u id s E n g in e e ri n g D iv is io n S u mme r Me e t in g F E DS M2 0 0 9 US A 2 0 0 9 7 王春林 郑海霞 张浩 等 可调叶片高比转速混流 泵内部流场数值模拟 J 排灌机械 2 0 0 9 2 7 1 3 0 3 4 8 朱荣生 胡 自强 付强 双叶片泵内压力脉动的数值 模拟 J 农业工程学报 2 0 1 0 2 6 6 1 2 9 1 3 4 9 朱荣生 李小龙 袁寿其 等 1 0 0 0 MW 级核主泵压 水室出口压力 脉动 J 排灌机 械 2 0 1 2 3 0 4 3 9 5 4 0 0 1 0 袁寿其 何有世 袁建平 等 带分流叶片的离心泵 叶轮内部流场的 P I V测量与数值模拟 J 机械 工程学报 2 0 0 6 4 2 5 6 0 6 3 1 1 K it a n o Ma j i d i N u m e rical s t u d y o f u n s t e a d y f l o w i n a ce n t rif u g al p u mp J J o u rnal o f T u r b o m a e h in e r y 2 0 0 5 1 2 7 3 6 3 3 7 1 1 2 S p e n ce R A maml T e i x e i r a J A C F D p a r a m e t ric S t u d y o f G e o me t r ica l v a r ia t iO I l S o nt h e P h j s lu r eP u