CFD在离心泵上的应用

CFD在离心泵上的应用摘要：指出采用CFD(计算流体力学)技术是解决离心泵水力设计的一个重要发展方向。针对如何获得离心泵内部流场数值，指出应主要解决叶轮网格生成技术、边界条件设置、汽蚀流动的模拟、数值模拟结果的实验方法四个主要技术问题，提出了相应的解决方法。关键词：CFD，离心泵设计，边界条件，网格

1.CFD简介在具体介绍CFD在离心泵设计中的应用之前，我们先从CFD的应用现状及应用中的关键问题两个方面对CFD进行一个介绍。1.1CFD的应用现状近年来，随着计算机技术的日新月异，复杂流动问题的模拟计算迅速发展，计算流体力学(简称CFD)越来越受到重视。多种通用大型的商品化计算软件如“CFD2000”、“PHOENICS”等相继问世，而应用于各个特殊领域解决专门问题的专用化计算软件更是不可胜数，其应用也已从最初的航空扩展到包括离心泵在内的多个领域。同时计算流体力学已从定性分析发展到定量的计算，正在逐步成为CAD系统中的一个重要组成部分。通过这种“数值试验”目前CFD在计算方法、网格技术、物理模型等方面都取得了较大的进展。在计算方法上追求三阶精度以上的高精度格式方法，其中又以对紧致格式的研究最为突出，紧致格式的理论研究已趋成熟，现在重点是实用化问题;计算方法研究还涉及带限制器的高阶插值、谱方法、拉格朗日方法、时一空守恒元方法等。特别是将基因算法与传统计算流体力学结合在一起，在域分裂和最优化设计等许多方面显示良好的应用前景。网格技术方面重点研究网格与流动特征的相容性、分块网格以及混合网格技术。对于某些复杂流动问题，传统的网格无限加密技术可能使计算结果失真，此时就要求构造与特征相适应的网格完CFD的计算任务。分块网格主要用于处理复杂几何形状或并行计算。混合网格技术包括矩形网格和非结构网格的混合使用。在物理模型上，除运用基本的Euler和N一S方程外，对一些复杂的流动问题，如湍流问题、两相流问题、化学非平衡问题、太阳风问题等等，还需要补充相应的流动方程。1.2CFD应用中的关键问题1.2.1各种具体应用情况的数学模型研究描述最一般的流动现象的基本方程是N-S方程，但目前受计算机速度与容量的限制，方程的直接求解还难以实现，而且对一些工程问题也没有这种必要。因此，一般情况下都是对方程进行一定的简化与处理后再求解。各种简化方法大致可分为三类:(一)无粘、线性化的处理。这类方法已较成熟，早期应用也较多，典型的如Panel方法等。这类方法的应用有一定的局限性，例如对有分离流动的区域，计算精度时显变差。(二)无粘、非线性的处理(Euler方程)。这类方法较上一类方法有较大的改进，通常是对主流的简化与对壁面附近的边界层的特殊处理相结合，因而又称为偶合方法。要取得较好结果的关键在于对边界层(即附面层)的处理。(三)粘性、时间平均的处理。对紊流的N一S方程采用时间平均后，出现脉动应力项(雷诺应力)，要使控制方程组封闭，必须作出假设，提出紊流模型。目前存在的紊流模型包括了从简单的代数模型(零方程模型)到标准k一。模型(二方程模型)直至复杂的大涡模拟，而k一8模型或其它形式的二方程模型是目前在工程领域中应用最为广泛的紊流模型。但通用的模型迄今还不存在，不同的情况需要不同的紊流模型。选取合适准确的紊流模型不仅对计算精度影响很大，而且计算也十分困难。要做到与实际情况高度相符合的模型还有待进一步研究。此外，还有对具体研究对象的边界条件的处理问题。1.2.2回顾CFD的发展历史，1971年Murman和Cole的计算首次表明可以取得正确的物理解，3年后ThomPson等首次生成绕任意二维物体的贴体计算网格，此后直到80年代中期计算格式和方法有了飞跃的发展，但网格生成技术并没能与计算方法的发展保持同步。然而，事实上只有有了可用于复杂边界的可靠和实用的网格生成技术，才能实现流场解的全部功能。可见网格生成技术是CFD要成为工程应用的有效工具所必须解决的关键技术之一。实际叶轮机械的边界复杂，为了使CFD能够应用于实际计算中，对计算网格的疏密程度有一定的要求，即为保证计算流场有必要的分辨率与准确度，计算网格点必须达到一定的数量，一般计算网格至少有数万直至数百万个。能方便地生成计算网格以及在设计中方便地修改是能否真正使CFD在设计中得到广泛应用的一个关键，必须进一步研究计算网格自动或半自动的生成方法。1.2.3对于方程的离散格式和数值算法，基本的方法有:有限差分法、有限容积法和有限元法，及有一定应用局限性的边界元方法。其中有限容积法应用最为广泛，也相对较为成熟。探索更有效的算法以提高精度并降低计算费用是目前研究的重点之一，已出现了一批各具特色的方案与方法，如多重网格法、平均修正技术等。2.CFD在离心泵设计上的应用2.1叶轮网格生成技术采用目前流行的方法进行流体流动的数值模拟必须要对建立的流场模型划分网格，也就是要将整个流体流动的空间区域划分成许多面体子区域，并确定每个区域的节点。水泵内部的流动区域大多为不规则区域，要完成这些区域网格的划分需要大量的时间，这项工作甚至比计算本身所需的时间还多。网格划分是流动控制方程数值离散的基础，因此，网格技术是实现湍流数值模拟的关键技术之一，网格质量的好坏直接影响到解析的敛散性和结果的精度。离心泵叶轮流道复杂，叶轮的网格生成在CFD解析过程中非常重要。根据叶轮流道的复杂性，可以采用分块网格技术将复杂的流动区域分成若干个子区域，使得每一个子区域形状的复杂程度降低到可以生成结构化网格的程度，然后在每一个子域中生成网格。相邻子域的交界面上，网格可以相互贯通(连续)，也可以不连续甚至一定程度的重叠。分块网格是CFD工程实践中应用最广泛的网格类型之一，同时在C功中也是发展较为成熟的网格生成技术。分块网格中每一部分网格是结构化网格。分块网格的优点是:l)每一部分的几何相对简单，可以较为方便地生成网格，很大程度上减轻了网格生成的难度;2)它可以充分兼顾某些物理问题中不同区域的空间尺度与时间尺度不同的情况，在不同部分可以选取不同的网格疏密程度，藕合部分网格线不要求完全贯穿，给局部加密网格带来了很大的方便;3)便于采用并行算法来求解每一部分的代数方程。分块网格提供了处理不规则区域边界的一种重要方法。但是分块结构化网格的缺点是对复杂区域的适应能力仍有一定的限制，而且在块交界处信息的传递方式、特别是守恒性的保持，是需要解决的关键问题。同时块与块之间的祸合需要做一些特殊处理，否则对计算收敛存在很大的干扰。2.2边界条件设置边界条件的设置在离心泵内部流场数值模拟过程中也很重要，所用到计算域的边界条件主要有进口边界条件、出口边界条件、壁面条件、周期性边界条件等，以下分别介绍离心泵内部流场模拟所需要的边界条件。2.2.1进口边界条件进口边界条件一般有三种取法，即压力、速度和流量进口条件。其中进口速度须给定速度大小和方向，若求解区域进口离固体壁面较近，可能导致进口区域极不均匀的总压分布，与实际流态不符。压力进口条件须给定进口总压和进口速度方向，但以压力进口条件计算时不容易收敛。流量进口对于不可压缩流体的计算与速度进口条件具有相同的功能。本文建议采用的是速度进口条件，假设进口的速度分量分布均匀，根据水泵在某一工况下的流量和进口直径确定进口处的平均流速，流动方向为垂直进口平面方向。对于进口截面的湍流动能κ和耗散率ε分别由下式计算得到:κ=0.0058μm2;ε=Cuκ3/2/L式中L——进口特征长度μm——进口速度Cu——经验常数2.2.2出口边界条件出口边界条件一般按照局部单项化处理，即假定流场在计算域的出口已充分发展，出口边界无回流，边界流动参数对上游无影响，出口速度由连续.条件外推获得，湍流动能κ和耗散率ε由节点线性外推求得，即:(gradφ)·n=0(φ=κ，ε)式中n为出口边界上主流线的切线方向。出口条件的压力值按平均静压为一定值的方式给定，在不考虑汽蚀的计算条件下，出口压力值对计算无影响，可以任意给定一个值，但在考虑汽蚀的计算时，出口压力值是决定汽蚀是否发生以及汽蚀严重程度的关键指标，可根据实际要求确定不同的值。2.2.3壁面条件最一般化的处理中，壁面边界条件需要规定壁面的滑移特性、粗糙度、移动或静止、穿透特性、绝热特性、辐射特性和化学组分等等。首先要根据流动的性质决定壁面的滑移特性，当流动为无粘流动时认为壁面具有滑移特性。一般情况下我们都采取无滑移的壁面边界条件。对于壁面的移动，凡是跟随叶轮一起旋转的壁面都采用移动的壁面，且移动的方向和速度与叶轮旋转的方向和速度一致，而其余壁面均为静止，速度值为零。在确定滑移特性和移动特性后是给定壁面的粗糙度和其它特性。2.2.4周期性边界条件周期性边界条件用来解决物理模型和所期待的流动解具有周期性重复的特点，离心泵叶轮流道内的流动问题就是一个典型。通常为了减少计算量，整个叶轮的流动域根据叶片数分为几个部分，在计算域两边的周期性边界选择周期性边界条件。周期性边界条件包括两种类型，即不允许和允许通过周期性平面具有压降两种。在离心泵内部流动的模拟中一般使用没有压降的周期性边界条件，对这种情况，实际计算中只需要确定所模拟的几何外形是旋转性周期还是平移性周期。2.3汽蚀流动的模拟在离心泵的性能质量指标中，最能说明离心泵的技术水平的是两个质量指标，一个是效率指标，另一个是汽蚀性能指标，而这二者又是相互关联相互矛盾的。为了全面提升离心泵的技术水平，应该对汽蚀性能进行数值模拟研究。对离心泵内部汽蚀流动的模拟和汽蚀初生点的预测可以采用多相流模型，其中用到的具体模型为混合模型和汽穴影响模型。2.4数值模拟结果的验证方法对离心泵数值模拟结果的验证，首先就存在一个验证方法的问题。目前大家习惯用这样的方法对数值模拟结果进行验证:采用CFD技术对某一个机械目标进行数值模拟，通过计算得到一些计算结果。再通过机械制造做成试验装置后，经过试验得到一个试验结果，最后通过将计算结果与试验结果相比较，看是否相一致，一致的程度越好，说明计算结果越是准确，从而判定数值模拟成果的好与坏。在比较的过程中，对量化的追求比较高。本人通过多年的实际工作经验及对泵生产制造过程、结构原理的分析，认为这种方法不是十分科学的，尤其是对离心泵这类产品。离心泵的试验结果是多种因素影响下得到的实际试验结果，例如:铸造因素、产品结构型式、加工制造方法、试验方法和试验技术、试验设备仪表等等。而数值模拟的计算结果是对水力元件的流动状态进行数值模拟，从而得到的计算结果，仅仅是对一个主要水力元件进行了模拟计算，而不是对全部因素进行模拟计算，没有考虑其它因素的影响和试验误差的影响。即使数值模拟计算十分准确，与试验结果相比较误差也是较大的。实际上由于边界条件的设置、网格的划分、计算的误差、数学模型的误差等因素的影响，模拟计算本身也做不到十分准确。因此将计算结果与试验结果进行量化比较，并追求高度一致的验证方法是不合适的。准确的验证方法，本人认为是在CFD技术和设计经验计算相结合的基础上，计算结果与试验结果要做到定性相一致。在定性相一致的情况下，计算结果与计算结果相比较，试验结果与试验结果相比较。在不同设计方案的情况下，可以通过数值模拟对不同方案的计算结果相比较，以进行优化工作。在产品的设计研究工作中，不同的设计方案经过试验后，试验结果与试验结果相比较，以判定设计方案的好坏及设计的效果。这样比较可以消除其他影响因素的影响，是科学的，合理的。3．结束语利用CFD计算流体力学，对离心泵内部流场进行分析和研究，是近期泵行业比较重要的一个发展方向，但要形成准确完善的设计方法，并能在实际设计工作中应用，还要有一个过程。开展此项工作必须建立在以往的设计方法、设计经验、科研成果的基础上，结合试验研究去开展工作，经过大量的研究、设计、试验的反复工作，最终才能得到理想的设计理论和设计方法。

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