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在OPENFOAM基础上研究双叶片泵内部流动刘侯林,任正非 王凯,吴邓浩 魏敏,谭敏高流体机械工程技术研究中心、江苏大学、镇江212013、中国、电子邮件:(2011年9月24日收到修改后的1月9日,2012)文摘:离心泵的内部流动分析逐渐成为液压设计和一个重要的问题提高性能。如今,CFD仿真工具箱泵的内部流动主要包含商业工具和开放源工具。有一些缺陷为商业CFD软件内部三维湍流流动的数值模拟泵,尤其是在捕获偏离设计的操作条件下的流动特性。此外,很难研究人员做进一步的调查,因为未申报的来源。因此,一个开源软件喜欢空旷的田野操作和操作(OpenFOAM)与研究人员来自世界各地越来越受欢迎。在本文中,一个新的计算研究是实现基于最初的解决者和被用来直接模拟稳态内流的双叶片泵,以特定的速度是111。为了披露特点,三个研究计划进行的。比率(Q / Qd)的流量是0.8,1.0和1.2,分别。仿真结果验证了粒子成像测速技术(PIV)实验结果和数值计算结果与实验数据吻合较好。与此同时,非设计工况下的流动分离现象被OpenFOAM操作条件好。的结果表明,OpenFOAM具有明显优势强劲计算泵的内部流场。分析结果也可以作为进一步研究的基础和改善离心泵。关键词:数值模拟、双叶片泵内部流动,粒子成像测速技术(PIV) 介绍 双叶片泵是一种离心两个叶片泵。有两个对称的曲线从进口到出口和叶轮通道叶轮出口很宽。因此,它通常成为叶轮在固液两相的形状离心泵。然而,由于短发展历史和不完美的设计理论,其叶轮常常相结合的设计在实践经验的设计师到目前为止,所以它的性能和稳定性不保证1 - 3。确定泵的性能决定的*项目得到了国家自然科学基金的支持杰出的年轻学者(批准号50825902),中国国家自然科学基金(批准号。51079062、51079062、51079062)和自然科学江苏省基础(批准号。BK2009006,BK2010346)。 传记:刘Hou-lin(1971 -),男,博士。教授检查其内部流动特性无疑最好的方法来提高性能的泵4 - 6。最近,与CFD的快速进步和计算机技术,模拟内部流已逐渐成为重要的基础优化和设计涡轮机械7。现在,流体机械CFD仿真工具箱主要包含商业和开源工具工具。多年来,商业软件包是世界上时尚以其丰富的功能和方便使用的质量。另一方面,CFD软件,商业工具不是很专业,泵的计算结果更少不是令人满意的,尤其是在捕捉流特征在偏离设计的操作条件。此外,其未申报带来相当大的来源应用数值的不便模拟流体机械。尽管代码可以通过用户定义函数被添加到实现,它有一个强大的限制。例如,当一个简单的算法和two-equation湍流模型需要改进,需要有一个通过对控制方程的理解,离散化方法、湍流模型和迭代算法。然而,核心算法代码和数据处理方法无法获得的商业化,只有几个选项选择。因此,许多开放源码CFD软件正在流行和高质量开放源码吗CFD仿真平台的开放领域操作和操作(OpenFOAM)是突出由于其强大的功能,清晰的架构,扩大功能,统一格式。 OpenFOAM CFD工具箱被释放一个开源的2004年12月10日,这是基于c+程序,包含许多c+模块可以自由结合一些其他模块等张量、向量、湍流模型、数值算法,判断模块,自动控制模块等等。因此,它方便使用解决在化学模拟复杂的物理模型反应,湍流流动和热传导,等。 各种各样的工作在流体内部流动通过OpenFOAM机械。尼尔森11的稳定和不稳定计算流Hllerforsen水轮机转轮和通风管,OpenFOAM和比较的结果与那些由CFX-5和实验。最终,的适用性和可靠性OpenFOAM卡普兰水轮机流道和通风管被验证。珀蒂et al。12验证实现通用的网格界面(GGI)使用冷冻OpenFOAM转子稳定的方法和不稳定滑动网格方法。然而,所有的模拟进行了简化离心泵的二维模型李13模拟由OpenFOAM边界层风洞中,透露,这是适合使用OpenFOAM进行计算风工程(CWE)研究。目前,有关工作不多泵的内部流动的研究比较OpenFOAM之间的仿真和实验,和相关报道很少。作为一个开放源代码,OpenFOAM提供直接访问模型和求解实现细节。然而,有一些缺陷OpenFOAM三维紊流数值模拟的内部流动水轮机把风能量流。CFD模拟的水轮机把风能量流,独立的三维网状通道或全几何通常连接在一起为了模拟水流通过继承复杂的几何图形像泵的地方固定吸和蜗壳以及旋转的叶轮。符所有的要求保形吻合匹配接口通常是非常困难或导致几何妥协会影响数值仿真结果的质量。因此,需要治疗静的接口,这是必要的模拟整个水轮机把风能量流的内部流动。虽然OpenFOAM功能已经存在,没有定义的目录。有还需要一组边界条件很容易捕捉基本特征类似因为它可以通过一些其他CFD解决方案。此外,放松因素控制低松弛,对改善有重要影响稳定的计算。然而,没有任何指导对这些因素的原则。因此,论文着重于离心泵与考虑这些因素。的数值模拟通过使用实现OpenFOAM和泵计算结果验证了粒子成像测速仪(PIV)实验。这项研究还为实现更高的计算提供了基础泵内部流动通过改善的准确性CFD方法与自编译程序OpenFOAM。在本文中,为了计算的交互旋转和固定组件之间泵、多参考帧(MRF)解算器使用。同时,仿真结果也采用PIV测试进行验证。操作系统使用SUSE Linux 10.3,使用的版本号目前计算OpenFOAM 1.5 。1。数值方法和模型1.1控制方程 OpenFOAM工具箱已经提供了解算器MRFSimpleFoam呼吁解决稳态Reynolds-Averaged n - s方程出发e-湍流模型,如标准k模型。速度和压力之间的耦合使用简单的方法治疗14的MRFSimpleFoam解算器采用有限体积技术的n - s方程离散化旋转参考系: UR是旋转架速度、r位置向量,p液体运动粘度。n流体密度,r压力,1.2一般网格界面(GGI) 由于定子和转子之间的交互,如何应对电网和信息传输耦合部分的计算域是一个关键问题精确地模拟字段(15 - 17日)。冻结转子的方法MRFSimpleFOAM解算器是一个稳态配方转子和定子的相对位置在哪里固定的。在同一时间内,转子和定子部分分别将网状。对于非平涡轮机械y模拟的相对转动网部分必然会产生非保形l接口固定和移动之间的部分。一个这些网格是必要的为了之间的连接简化网格各涡轮机械复杂性模拟,从而减少计算机时间成本。Beaudoin GGI,由和Jasak18在OpenFOAM可用于这一目的。这是一个新的OpenFOAM耦合界面,加入多个非保形地区补丁节点每一方的接口不匹配。该接口使用加权插值来评估和传输流值在一双正形或non-conformal耦合的补丁。基本GGI界面是类似于一个“静态”的滑动界面的优势,不需要再啮合相邻细胞的接口。 GGI使用Sutherland-Hodgman算法(12)计算主和影子面临十字路口区域。拒绝些快速算法在一个轴对齐边界框已经实现加快寻找潜在的邻居。然后,为了迅速处理最后一个不重叠的过滤测试中,一个有效的德国霍曼-Agathos点包容算法19已经包括在内到分离轴定理算法18。最后,考虑离散化的影响以适当的方式规模GGI加权因素处理可能出现的非重叠的脸保守,因此保持GGI接口。1.3边界和初始条件 偏微分方程(PDE)解决了有限体积方法,合适的插值方案的值通常从细胞.中心面对中心对数值有很大的影响结果,特别是对对流项。的对流现有方案的解决者被指定为违约线性差分有限,这是一个总递减变化(TVD)计划。尽管它提供了一个二阶精确离散化方案无条件的对流,它创建一个不稳定实践20。为了实现稳定,fist-order准确逆风差分引入了方案和仿真结果表明TVD方案会更容易比迭代发散和计算失败在模拟泵逆风差分方案内部流动。因此,TVD方案不适用OpenFOAM模拟泵内部流动。摘要、高斯头方案和使用在数值测试中可以得到令人满意的结果除了适当的离散化方案,中亚松驰是另一个重要的技术为提高稳定性的为算,特别是在解决稳态问题。中亚松驰作品通过限制数量,其中一个变量改变从一个迭代到另一个,要么通过限制解决矩阵和源之前解决一个字段或直接通过修改字段。一个低松弛1指定数量a,0a因素的中亚松驰,从根本没有0。a= 1在强度和增加a因此,选择一个适当的松弛因子很大的影响计算的效率。如果松弛因子太大,它会导致分歧很容易计算。如果太小,结果将收敛缓慢。此外,适当的放松因素取决于特定问题本身。因此,没有对松弛因子的模拟指令泵内部流动。与此同时,如果放松OpenFOAM默认情况下使用的因素检查泵内流,结果将是不稳定的。摘要放松因素是合适的为模拟根据泵内流20。aa+ = 1 u p最后,放松的因素经过多次测试和中亚松驰决定的(即因素相关的变量。、压力、动力、湍流动能和湍流耗散率)是0.3,0.7,0.3和0.3。模拟流场和整个泵,GGI方法需要传输转子和定子之间的信息。1.4模型双刀泵的3 d模型模拟是由Pro / E。吸入腔是由semi-spiral设计方法,在蜗壳由平等的速度矩法和设计横截面是矩形,类型线对数螺旋。双层的设计参数叶片泵如表1所示。这里n是的计算公式:在仿真之前,研究网格独立性并选择湍流模型是必要的(21、22)。混合网格的几何是网状策略和OpenFOAM用于模拟双刀泵内部流动。研究的数据网格独立性如表2所示。如果头的区别是小于0.2%,网格数量是可以接受的。根据计算, 方案2满足需要。所以采用方案2的网格。的网格是显示在图1。 表1的设计参数 参数 标志 值 流量 Q 25.86 头 H 2.53米 转速 n 750具体速度 ns 111吸入腔入口直径 D 0.08米叶轮进口直径 D 0.09米叶片入口直径1 D 0.0812米叶轮出口直径2 D 0.2米叶轮出口宽度2 b 0.047米叶片进口角1 b1 (o) 18.3叶片出口角 b2(o) 30 蜗壳进口宽度 b3 0.07米表2数据为研究网格独立性 网格数量 叶轮 螺旋 吸力 总头 H(m)1 618 738 220 175 300 103 1139 016 2.460342 577 913 179 340 255 937 1 013 190 2.459743 505 999 143 450 202 830 852 279 2.43180 4 378 565 151 341 99 619 629 525 2.40151表3比较的湍流模型湍流模型 H(m)标准k - e 2.45974RNG k - e 2.44706 海温 2.42225标准的k - ee,RNG k - ee和欧米茄SST湍流模型被用来模拟在离心泵内部流动。相同的网格,三种湍流模型之间的比较,结果如表3所示。这是发现与实验数据相比,头获得的标准k - ee模型是最准确的。因此,标准的k - ee动荡模型是用于执行仿真。对于测试区域,附近的叶轮流道蜗舌被选中。为了分析内部流好,7条平面曲线是在叶轮设置上,从叶轮进口等距叶轮出口,12点分布在每个曲线等距。所有的分析文章处理本文基于这些监控点,如图2所示。为了有效地披露特点,提出了三个研究计划。的比率(/ d Q Q)的流量分别是0.8,1.0和1.2,。2。结果和分析2.1相对速度分布相对速度分布在图3。可以看出,从入口到出口相同的工作条件,有一个低速区附近的入口压力面,中间速度的方向改变,可以发现图的顶视图。这时,一个回流漩涡看来,一个了不起的jet-wake流模型。此外,所有点的速度低速度区向上随着半径的增加,最后jet-wake流特性变得不显明的,就消失了。在叶轮进口的圈子,相对的速度逐步下降,从吸力面附近的压力面附近,然后,当它接近压力方面,速度再次上升,峰值压力面。随着半径的增加,速度的变化在吸力面附近比附近的不太正常压力面。然而,当从叶轮流道,附近的速度吸力面上升逐渐随着半径的增加。但压力面附近的速度总是上涨随着半径的增加。此外,速度压力面附近的梯度大于吸力面附近。在出口圆上,速度逐渐从吸入端。的流叶轮通道是不对称的影响蜗壳。尤其是近点的相对速度蜗舌上升最快,峰值在补丁略低于蜗舌。在那之后,他们下降。简而言之,速度点附近的值蜗壳舌大于远离的舌头。图3在叶轮流道相对速度分布及其当地顶视在相同的工作条件下,边缘通过在进口圆上,附近的速度压力面附近,远比吸入的一面。此外,在同一循环入口附近吸力面附近的速度大于附近方面的压力。随着半径的增加,缺口在压力面和吸力面窄和双方的速度平等在中间通道,因此同等速度区域形成。然后,附近的速度压力一边远远大于吸力面附近。图4 在叶轮流道静态压力分布在不同的工作条件下,jet-wake模型仍然在同一位置。但随着增加流量,速度点的落后流涡区也会增加,而范围减少和jet-wake的功能模型重要的越来越少。整个通道的低流量条件下,速度达到最小在入口附近的压力面,中间在蜗舌片略低于达到顶峰。与此同时,随着流量的增加,最大的速度在整个通道减少,平等速度面积扩大,逐步接近叶轮出口。图5在叶轮流道总压分布2.2静压和总压分布静态压力分布和总压力每个点的分布在不同的工作条件分别在图4和图5所示。从图4可以看出,在相同的工作条件下,静态压力,在入口附近的补丁压力方面,比其他更大的波动点相同的圆和更不规则。静态压力增加随着半径的增加,除了在出口循环。静态压力,在出口循环和蜗舌附近,体验周到减少和值明显低于附近。此外,附近的静压值进口上升,然后逐渐下降从压力面到吸力面。的增加半径,静压值附近的压力一边突然增加,导致静态压力在压力面附近的普通不如变化,在吸力面附近。总之,静态压力附近压力面附近的比这高得多吸力面在同一半径。压力面附近的静压高于入口附近的吸力面附近循环。叶轮的从中间开始循环通道,吸力面附近的静压高于在压力面附近。可以看出从整个叶轮的静压分布通道,最低的静态压力附近吸入叶轮入口,一个可能的原因艾迪是吸力面附近由于生成的叶轮内的流动是由主要的影响叶片的边缘。附近的静态压力是最高的出口压力的一面,这说明流在叶轮的性能不仅影响到结构叶轮,也确实由蜗壳。与流的增加,静压每一点增加然而,戏剧性的静态压力分布在压力面和吸力面之间不以同样激烈的速度上升。事实上,静态压力压力面附近增加快一点比在吸力面附近。与此同时,静态蜗舌附近的压力变得不显明的和几家点相同的静态压力出现在高流量条件下的中间通道。此外,该地区以同样的静态压力延伸对吸力面流动较高。从图5,可以看出的特点总压分布是相似的静态压力。然而,在低流量条件下,相应的每个循环的总压强并不总是随着半径的增加。相反,当圆接近叶轮出口,总压强靠近中间的吸入一边随着半径的增加迅速下降。此外,这个特性的点往往扩大的压力的一面。然而,功能下变得模糊高流动状态。从整个叶轮流道,总压强仍达到最小叶轮进口的吸力面,而在达到顶峰吸入叶轮出口。当然,在出口附近叶轮、有高和低总压区由于尾流的影响。具体地说,低总压区位于的流逝蜗舌附近,而高总压强压力面附近的区域,和他们非常明显的低流条件下。但是,在高流量条件下,总压强再次上升,除了在蜗舌附近的点,出现大幅波动。3PIV测试3.1实验装置PIV系统应用在这个实验三维PIV系统的TSI公司2009年生产的。它主要包括以下5个设备。的首先是美国新浪潮的YAG200-NWL脉冲激光器,200年乔丹是谁的单脉冲能量、激光脉冲频率30 Hz,持续时间3 ns-5 ns,光束直径0.0035米。第二个是610 035激光吗脉冲同步器的触发定时精度1 ns。第三是630 059 power优先4米PIV相机,这是最轻的CCD相机类似产品,2 048048光敏感像素和16帧/秒帧速率。第四个是了解3 g软件,用于数据采集、分析,并显示软件平台,嵌入式“哈特”引擎和相关性算法流场分析软件。第五是610年610年光手臂和光源透镜等。图7显示了素描的实验平台。所有的实验都交织在江苏大学。在一个实验进行开环,包括坦克开空气,测试泵的吸入阀,卸料管和排放阀门。模型泵只有一个轴吸和蜗壳。在电路、水泵从并返回到一个巨大的水库。的流量被排出阀和监管由电磁流量计测量。的转速由外加信号检测。流量不确定性总是小于0.5%。头和效率的不确定性分别在1%和1.5%。的实验数据如表1所示。双刀模型泵的结构图7所示。它不同于普通的离心水泵。为了使PIV测试很容易,泵轴,通过吸入室的泵吸入口的同一边。的semi-spiral吸入腔是由时间组成的不锈钢,而叶轮和蜗壳是由时间组成的有机玻璃。有机玻璃是均匀的和光滑。同时所有表面的有机食品玻璃抛光,粗糙度是3.2。此外,为了减少背景噪音,没有测试表面附近的蜗壳和叶轮到吸入室大会之前将是黑色的。最后,由于良好的跟踪性能和光学性质,以及低价格,氧化铝粉末选择作为示踪粒子在测试,和它的吗颗粒直径大约是8微米。3.2测试方法相应的数值模拟,三人流条件下测量。中间部分的叶轮是选为测试飞机,如所示Fig.8。测试区域是区域1。轴角编码器发送每转脉冲信号,触发TSI同步装置通过外部触发同步系统因此每个图像CCD相机拍摄到的区域1。3.3数据采集和处理首先,相关参数设置的洞察力3 g软件,使用序列捕获模式在每个条件收集20个相关图像。其次,20个图像在不同的处理条件通过互相关技术,和修改等技术标准偏差,当地的意思平滑值测试和二次峰值。然后,平均的20个矢量文件在Tecplot计算软件。最后,由于三维速度获得PIV测试绝对速度,它是必要的合成得到的相对速度。根据速度三角形法、PIV速度合成程序被编译在visual c+ 2005中。此外,这些向量文件也在Tecplot处理软件。3.4测试结果和分析相对速度分布决定该地区的PIV测量1中给出了Fig.9。基本上可以看出流体流动通过叶轮入口附近的吸力面相同的工作状态。此外,速度逐渐增
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