高速深井离心泵内部流场数值模拟与试验研究.pdf

8 FL UI D MACHI NERY Vo 1 43 No 4 2 01 5 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 5 0 4 0 0 0 8 04 高速深井离心泵内部流场数值模拟与试验研究 王国涛 徐燕 1 江苏省特种设备安全监督检验研究院常州分院 江苏常州2 1 3 0 1 6 2 江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心 江苏镇江2 1 2 0 1 3 摘要 通过对 1 0 0 Q J 3 2型高速深井离心泵在不同网格数 不同湍流模型 不同模拟级数条件下进行三维定常数值 模拟 分析了不同条件对其性能的影响 从而选出合适的数值模拟设置方法 将性能预测结果与样机试验结果对比 验 证利用 C F X软件预测高速深井离心泵性能的可行性 结果表明 采用叶轮网格数为4 0万 S t a n d a r d k一8湍流模型 两级 全流场模型对高速深井离心泵进行全流场三维定常数值模拟最为合适 关键词 高速深井离心泵 流场 数值模拟 试验研究 中图分类号 T H 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 5 04 0 0 2 Nu me r ic a l S imu la t io n a n d E x p e r ime n t a l S t u d y f o r I n t e r n a l F lo w Fie ld in Hig h s pe e d De e p we ll Ce nt r if ug a l Pu m p W ANG Gu o t a o XU Ya n 1 S p e c ia l E q u i p m e n t S a f e t y S u p e r v i s o n I n s p e c t i o n I n s t i t u t e o f J ia n g s u P r o v in c e C h a n g z h o u D e p a r t m e n t C h a n g z h o u 2 1 3 0 1 6 C h i n a 2 N a t io n a l R e s e a r c h C e n t e r o f P u m p s J i a n g s u U n i v e r s i t y Z h e n j ia n g 2 1 2 0 1 3 C h in a Ab s t r a c t I n o r d e r t o a n a l y s is t h e e f f e c t o f d i f f e r e n t n u me ri c a l s i mu l a t i o n s e t t in g me t h o d s o n t h e h ig h s p e e d d e e p we l l c e n t r i f u g a l p u mp p e r f o r ma n c e t h e t h r e e d ime n s io n al s t e a d y n u me ri c a l s imu la t io n w a s c a r r ie d o u t b y u s in g d if f e r e n t g ri d n u mb e r s d if f e r e n t t u r b u l e n c e m o d e ls a n d d i f f e r e n t s i mu la t i o n s t a g e s b a s e d o n t h e 1 0 0 Q J 3 2 m o d e l p u m p T h e r e f o r e t h e b e s t m e t h ods o f n u m e ric al s i mu la t i o n f o r h ig h s p e e d d e e p w e ll c e n t ri f u g a l p u mp w e r e s e le c t e d o u t T h e c o mp a ri s o n b e t w e e n n u me ri c a l s imu la t i o n r e s u lt a n d t h e e x p e ri me n t a l r e s u lt wa s c o n d u c t e d t o v e ri f y t h e f e a s ib ilit y o f u s in g C F X s o f t wa r e t o p r e d ic t t h e h ig h s p e e d d e e p w e ll c e n t ri f u g a l p u mp p e rfo r ma n c e T h e r e s u l t s s h o w t h a t u s in g i mp e l l e r g r id n u mb e r 4 0 0 0 0 0 S t a n d a r d k s t u r b u l e n c e mo d e l a n d t wo s t a g e s wh o le fl o w fi e ld mo d e l t o p r e d ic t t h e h ig h s p e e d d e e p we ll c e n t ri f u g al p u mp p e rfo rm an c e is mo s t a p p r o p ri a t e Ke y wo r d s h i g h s p e e d d e e p we l l c e n t r i f u g a l p u mp fl o w fi e ld n u me ri c a l s i mu l a t i o n e x p e r i me n t al s t u d y 1 前言 高速深井 离心泵是一种新 型多级深井 离心 泵 它与常规深井泵相 比具有结构 紧凑 性能优 越 体积小 重量轻 节能节材 维护方便等优点 是未来井泵发展的新方向 其转速通过变频器后 可达 5 4 0 0 r mi n 而 常 规 深井 泵 的转 速 一 般 是 2 8 5 0 r m in 由于高速深井 离心泵过流部件尺寸 较小 并且转速较高 致使一些先进的内部流场测 试技术 如 P I V技术 L D V技术等 很难准确对其 进行内部流动的测量 目前利用 C F D商业软件 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 0 1 修稿 日期 2 0 1 5 0 2 0 6 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 5 1 2 7 9 0 6 9 对流场进行计 算分析 已成 为一项 重要 的科研手 段 周岭等利用 F l u e n t 软件对常规深井离心泵进 行了性能预测分析 结果表明利用 F lu e n t 软件可 以预测深井离 心泵 的性 能 郑源 等选用不 同 参数利用 F l u e n t 软件对贯流泵进行了数值模拟计 算 并选出了与试验最接近的方案 王川等基 于 F lu e n t 软件对 4 S P 8不锈钢冲压潜水井泵进行 了数值模 拟研究 并 取 得一 定成 果 J 综上 所 述 运用 C F D软件对泵进行数值模拟可 以准确预 测泵的性能 但是 如何设置 C F D软件 中的参数 以便更真实 准确地进行数值模拟是研究 中的一 1 0 F LUI D MACHI NERY Vo 1 4 3 No 4 2 01 5 Q Q 图4 不同湍流模型的单级扬程模拟值与试验值对 比 从图中可 以看 出 4种湍流模型预测 的单级 扬程变化规律与试验值均一致 都是随着流量的 增加而减小 其中 k一 模型与 S S T k一 1 模 型 与试验结果偏差相对较大 这两种模 型较常用于 强旋 流或带有弯 曲壁面流动 而 S t a n d a r d k一8 模型与 R N G k一8模型预测的单级扬程值与试验 值 比较接近 S t a n d a r d k一8模型模拟结果 与试验 结果最吻合 而 因此 本 文选 取 S t a n d a r d k一8湍 流模型进行相应研究 2 5不 同模 拟级 数适 应性 分析 高速深井离心泵属 于多级潜水离心泵 与单 级离心泵相 比 结构形式较为复杂 并且流动特点 也与单级离心泵不 同 多级离心泵 的首级叶轮进 口为无旋流动 但之后的各级叶轮进 口均为有旋 流动 因此 在多级离心泵的数值模拟中 选择合 适的级数就显得尤 为重要 本文对 高速深 井离心泵选择不 同的级数进行数值模拟 其各级 的单级扬程和效率分别如表 2 表 3所示 表2 不同级数数值模拟的单级扬程对比 级数 1 2 3 4 5 6 7 第 1 级扬程 m 2 3 6 1 3 2 3 6 3 3 2 3 6 4 3 2 3 6 4 3 2 3 6 4 3 2 3 6 5 3 2 3 6 2 2 第 2级扬程 m 2 1 3 2 1 2 1 3 2 7 2 1 3 3 7 2 1 3 4 7 2 1 3 3 7 2 1 2 9 6 第 3级扬程 m 2 1 3 3 7 2 1 3 4 7 2 1 3 4 7 2 1 3 4 7 2 1 2 9 6 第 4级扬程 m 2 1 3 3 7 2 1 3 4 7 2 1 3 3 7 2 1 2 7 6 第 5级扬程 m 2 1 3 3 7 2 1 3 4 7 2 1 2 6 5 第 6级扬程 m 2 1 3 3 7 2 1 2 6 5 第 7级扬程 m 2 1 3 2 7 平均单级扬程 m 2 1 9 0 2 2 1 6 3 1 2 1 5 4 J 4 2 1 4 9 7 2 1 4 6 9 2 1 4 4 7 2 1 3 9 5 误差值 m 0 2 7 l 0 0 8 7 0 0 4 7 0 0 2 8 0 O 2 2 0 0 5 2 表 3 不 同级数数值模拟 的效 率对 比 级数 1 2 3 4 5 6 7 第 1级效率 5 2 7 7 4 5 2 8 7 9 5 2 9 8 9 5 3 O l 9 5 3 0 2 9 5 3 0 4 1 5 3 0 1 9 第 2级效率 5 1 0 6 2 5 1 1 6 7 5 1 2 1 4 5 1 2 4 3 5 1 2 2 1 5 1 2 2 4 第 3级效率 5 1 1 8 5 5 1 2 3 2 5 1 2 4 0 5 1 2 4 3 5 1 2 5 8 第4级效率 5 1 2 1 2 5 1 2 4 2 5 1 2 2 0 5 1 2 4 l 第 5级效率 5 1 2 l 7 5 1 2 4 4 5 1 2 4 2 第6级效率 5 1 2 2 0 5 1 2 6 5 第 7级效率 5 1 5 2 1 总效率 4 8 9 5 0 5 0 0 4 4 5 0 5 0 0 5 0 7 0 3 5 0 8 2 5 0 8 8 7 5 1 0 1 5 误差值 1 0 9 4 0 4 5 6 0 2 0 3 0 1 1 7 0 0 6 7 0 1 2 8 从表 3 表 4中可以看 出 第 1级的单级扬程 和效率值与后面几级相差较大 当级数 2时 随着级数 的增加 模型的单级扬程 效率误差值较 小 第 2级 的扬程 效率值与其后各级的扬程 效 率值基本接近 这是因为多级泵的首级叶轮为无 旋流动 而其后各级的叶轮进口为有旋流动 同时 随着级数的增加 网格数也相应增加 所需的计算 机性能及计算时间也相应提高 综合各因素后 本文选择 2级全流场模型进行研究 3试验结果对比 为进一步分析数值模拟 的准确性 将 l O O Q j 3 2 高速深井离心泵 7级 进行样机制造 依据 2 0 1 5年第 4 3卷第 4期 流体机械 G B T 1 2 7 8 5 2 0 0 2 4 潜水 电泵试验方法 进行型式 试验 得到了高速深井离心泵性能曲线 换算成单 级扬程后 的性能曲线如 图 5所示 Q m h 图5 高速深井离心泵单级扬程与效率的试验结果 同时根据上文的分析结果 选择 叶轮 网格数 4 0万 总网格数 2 6 8万 S t a n d a r d k一 湍流模型 对 两 级 高 速 深井 离 心 泵 在 0 6 Q o 8 Q d Q 1 2 Q 1 4 Q 1 6 Q 工况下进行数值模拟 其外 特性预测结果与试验结果的对 比如表 4所示 表 4 高速深 井离心泵外特性预测结果与试验 结果对 比 试验值 计算值 流量 效率 单级扬程 效率 单级扬程 日 m 叼 日 m 0 6 Q d 3 8 4 1 2 1 3 5 4 3 9 9 2 3 6 6 0 8 Q d 4 4 9 0 2 0 5 2 4 9 1 5 2 2 7 9 1 0 Q d 4 9 6 7 1 9 6 5 5 2 0 4 2 1 6 3 1 2 Q d 5 2 6 1 1 8 4 3 5 3 9 1 1 9 8 3 1 4 Q d 5 3 5 3 1 6 8 6 5 4 3 l 1 7 6 3 1 6 Q d 5 1 9 7 1 4 8 3 5 2 7 8 1 5 0 7 从表 4可知 在小流量工况下 模拟结果与试 验结果 的误差较大流量工况下大 分析其原因 可 能是由于在小流量工况下高速深井离心泵内部存 在二次 回流 叶片背面脱流等较为复杂 的流动结 构 使得预测结果偏离试验值稍大 数值模拟的 单级扬程和效率值 比试验值稍大 其原 因可能是 计算时没有考虑密 封环处 的泄 漏带来 的容积损 失 总体来说 数值模拟得到 的扬程 效率值 与试 验值 的偏差不大 认为该数值模拟方法用来预测 高速深井离心泵性能是可行 的 4结论 1 当网格数量增长到 4 0万 以上时 扬程值 趋于稳定 也即网格数的无关性 2 采用 S t a n d a r d k一8湍流模型模拟结果与 试验值最吻合 即进行数值计算时 S t a n d a r d k一 模型较为适合该模型泵 3 当模拟级数 n 2时 随着级数的增加 模型的单级扬程 效率误差值较小 第 二级的扬 程 效率值与其后各级的扬程 效率值基本接近 4 通过对多工况下 的模拟结果与样机试验 结果对比发现 数值模拟得到的扬程 效率值与试 验值基本吻合 说明通过 C F D软件可以准确预测 泵的性能 参考文献 1 周岭 施卫东 陆伟刚 等 深井离心泵数值模拟与 试验 J 农业机械学报 2 0 1 1 4 2 3 6 9 7 3 2 郑源 刘君 陈阳 等 基于 F l u e n t 的贯流泵数值模 拟 J 排灌机械工程学报 2 0 1 0 2 8 3 2 3 3 3 7 3 王川 陆伟刚 施卫东