劉厚林,杜 輝,董 亮,吳賢芳,劉東喜

(江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心,江蘇鎮(zhèn)江 212013)

離心泵蝸殼內(nèi)壓力脈動特性數(shù)值分析

劉厚林,杜 輝,董 亮,吳賢芳,劉東喜

(江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心,江蘇鎮(zhèn)江 212013)

為揭示離心泵蝸殼流道內(nèi)的壓力脈動變化規(guī)律,采用雷諾時均方法(RANS),對3種工況下的離心泵內(nèi)部三維非定常湍流流場進(jìn)行數(shù)值計算,分析同一蝸殼斷面不同位置以及沿蝸殼周向不同點(diǎn)的壓力脈動特性。結(jié)果表明:蝸殼流道內(nèi)具有非常明顯的壓力脈動,在各種工況下壓力脈動的主頻均是葉片通過頻率;同一蝸殼斷面上的壓力脈動從蝸殼底部到蝸殼背面先減小后增大,蝸殼底部監(jiān)測點(diǎn)的高頻脈動成分較多;沿蝸殼周向,隨著圓周角的增大,壓力脈動減弱,隔舌附近壓力脈動幅度最大,且高頻脈動成分明顯增加。

離心泵;蝸殼隔舌;壓力脈動;雷諾時均法;數(shù)值分析

離心泵的空間非對稱結(jié)構(gòu)使其內(nèi)部流動呈現(xiàn)出復(fù)雜的非定常特性,這種特性使泵在產(chǎn)生靜態(tài)壓力分量的同時還會產(chǎn)生動態(tài)壓力分量,也就是壓力脈動[1]。

壓力脈動在泵內(nèi)是有害的,會引起泵系統(tǒng)及其設(shè)備的振動和噪聲,嚴(yán)重時會損壞設(shè)備[2]。因而對蝸殼內(nèi)部壓力脈動特性進(jìn)行研究有助于掌握泵內(nèi)壓力脈動發(fā)生和發(fā)展的特點(diǎn),為泵的設(shè)計提供參考,從而提高泵和系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

獲取壓力脈動數(shù)據(jù)的最直接方法是進(jìn)行試驗(yàn)測試,但是實(shí)際操作中受限于泵的體積等因素,實(shí)施起來具有很大的技術(shù)難度,且周期長,成本高[3]。計算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展為壓力脈動的研究提供了另外一種方法,其快速靈活的特點(diǎn)使其在壓力脈動等泵的內(nèi)部流動研究中得到越來越廣泛的應(yīng)用[4-7]。但以往的研究大多只針對葉片區(qū)域或者蝸殼背面附近點(diǎn)的壓力脈動情況進(jìn)行分析[8-12],對同一蝸殼斷面上不同點(diǎn)的壓力脈動情況以及壓力脈動沿蝸殼周向的變化情況的研究則較少,進(jìn)行這方面的研究能更充分地認(rèn)識壓力脈動在蝸殼內(nèi)的分布,從而為減輕壓力脈動提供指導(dǎo)。

本文選取商用CFD軟件Ansys CFX,采用雷諾時均方法(RANS)計算了一臺離心泵在3種工況下的三維非定常湍流流場,并對計算得到的壓力脈動情況進(jìn)行了分析。

1 數(shù)值計算模型

本文所用離心泵的參數(shù)如下:設(shè)計流量Qd= 0.0139m3/s,轉(zhuǎn)速n=2900 r/min,比轉(zhuǎn)數(shù)ns=99,葉輪外徑D2=168 mm,葉輪出口寬度b2=10 mm,葉片出口安放角β2=31°,蝸殼基圓直徑D3=180 mm,蝸殼進(jìn)口寬度b3=20 mm,葉片數(shù)z=5。

2 數(shù)值計算方法

計算區(qū)域由進(jìn)口延長段、葉輪、蝸殼、出口延長段4部分組成,如圖1所示,采用網(wǎng)格劃分軟件ICEM劃分得到網(wǎng)格總數(shù)為3550256個。

圖1 計算區(qū)域及網(wǎng)格示意圖

在進(jìn)口延長段入口處設(shè)置速度進(jìn)口,出口延長段設(shè)置自由出流出口,對于泵內(nèi)轉(zhuǎn)子部件和定子部件之間的交界面采用滑移網(wǎng)格進(jìn)行處理,固壁采用無滑移壁面邊界條件。

采用有限體積法對瞬態(tài)控制方程進(jìn)行離散,利用CFX12.0全隱式耦合多網(wǎng)格線性求解器對所有變量整場聯(lián)立求解,同時求解動量方程組和連續(xù)方程。在穩(wěn)態(tài)求解階段選取在離心泵數(shù)值計算中具有良好表現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[12]進(jìn)行計算,之后以此計算結(jié)果為非定常計算的初始場進(jìn)行非定常求解。

在非定常計算時,將旋轉(zhuǎn)水體與非旋轉(zhuǎn)水體之間的交界面設(shè)置為瞬態(tài)動靜轉(zhuǎn)子(transient rotorstator)模式[13],這對于兩部分水體間的動靜干涉作用是至關(guān)重要的。

為了提高計算結(jié)果對內(nèi)部流場的分辨率,選取葉輪每旋轉(zhuǎn)1°為1個時間步長,所對應(yīng)的時間為5.75×10-5s。這樣每經(jīng)過360個時間步為1個葉輪周期,共計算10個葉輪周期,取最后1個周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,此時脈動已經(jīng)穩(wěn)定。

本研究所計算的3個工況點(diǎn)流量和設(shè)計流量之比Q/Qd分別為0.8、1.0和1.2。壓力脈動監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置如圖2所示,其中P6、P6B和P6M是同一蝸殼斷面上的點(diǎn),分別位于蝸殼背面、蝸殼底部和蝸殼中間位置處。

圖2 蝸殼區(qū)域壓力脈動監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置示意圖

3 計算結(jié)果與分析

3.1 外特性分析

根據(jù)計算得到的進(jìn)出口總壓力差以及軸功率可以得到泵在不同工況下的揚(yáng)程和效率,如表1所示。從表1可見,揚(yáng)程和效率計算值的總體趨勢與試驗(yàn)值相同,揚(yáng)程相對誤差的最大值為5.05％,效率絕對誤差的最大值為3.43％?？梢姳疚乃x取的計算方法較為準(zhǔn)確地預(yù)測了該泵的外特性,從而為進(jìn)一步的預(yù)測分析打下了基礎(chǔ)。

表1 水泵外特性計算值和試驗(yàn)值的對比

3.2 壓力脈動分析

3.2.1 不同工況下同一蝸殼斷面上監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動特性

為方便下面的闡述,這里定義壓力脈動系數(shù)CP= (P-Pavg)/Pavg,其中P為靜壓,Pavg為靜壓平均值,該壓力脈動系數(shù)是指壓力脈動振幅占靜壓平均值的比例。同時對時間進(jìn)行歸一化處理,定義時間系數(shù):Ct=(t-tb)/(te-tb),其中,tb為所選用葉輪周期開始時刻的時間,te為該葉輪周期結(jié)束時刻的時間。這樣,該周期內(nèi)壓力脈動情況所對應(yīng)的時間便可以用一個變化范圍為0～1的無量綱系數(shù)來表示,以便于理解。

圖3為不同工況下位于同一蝸殼斷面上的3個點(diǎn)P6、P6B和P6M處的壓力脈動時域特性。由圖3可見,在各工況下,3個點(diǎn)的壓力脈動均具有非常明顯的周期性,呈現(xiàn)出非常規(guī)律的5個波峰和5個波谷,這正好與葉輪葉片數(shù)相同。但是3個點(diǎn)的壓力脈動幅度不同。

由圖3(a)可見,Q/Qd=0.8工況下,P6B處的脈動幅度最大,約為靜壓均值的2.5％;P6處的脈動幅度次之,約為靜壓均值的2％;P6M處的脈動幅度最小,為靜壓均值的0.8％。分析圖3(b)和圖3(c)可以得到與圖3(a)相同的結(jié)論,即位于蝸殼底部的P6B脈動幅度最大;位于蝸殼背面的P6次之,但與P6B處脈動幅度差別不大;位于該蝸殼斷面中間位置的P6M壓力脈動幅度最小。這說明在同一蝸殼斷面上,壓力脈動幅度從蝸殼底部到蝸殼背面先減小后增大。理論上,這是因?yàn)樵谖仛さ撞亢臀仛け趁?葉片和動靜干涉作用的影響分別居于主導(dǎo)地位,而在蝸殼流道中間位置二者作用相對較弱的緣故。

通過快速傅里葉變換(FFT)得到上述各監(jiān)測點(diǎn)在不同工況下的壓力脈動頻域特性,如圖4所示?？梢钥闯?在各工況下,同一蝸殼斷面3個監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動頻率均以葉片通過頻率(242Hz)為主。其中,P6和P6M處的頻率主要是葉片通過頻率,高頻成分很少。相比之下,P6B處的高頻成分明顯增多,可見,在葉輪的影響下,蝸殼底部監(jiān)測點(diǎn)體現(xiàn)出了更為復(fù)雜的頻率特性。

3.2.2 設(shè)計工況下蝸殼周向不同監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動特性

圖5為設(shè)計工況下沿蝸殼背面周向各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動時域特性。由圖5可見,沿蝸殼周向各點(diǎn)的壓力脈動均呈現(xiàn)出明顯的周期性,具有5個波峰和5個波谷。但各監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動的幅度不同,其中以正對隔舌處的P2點(diǎn)脈動幅度最大,約為靜壓均值的11.5％;P1和P3分別位于P2兩側(cè),脈動幅度也較大,分別為靜壓均值的10.3％和8.7％。P4、P5、P7和P8處的壓力脈動幅度分別為靜壓均值的5％、2.57％、0.9％和0.4％,均明顯小于隔舌附近監(jiān)測點(diǎn)的脈動幅度?？梢娧匚仛ぶ芟?隔舌附近監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動幅度最大,這主要是因?yàn)槿~輪與蝸殼的動靜干涉作用在此處最為強(qiáng)烈;隨著圓周角的增大,葉輪與蝸殼背面之間距離增大,葉輪與蝸殼的動靜干涉作用減弱,脈動幅度逐漸減小。

圖6是設(shè)計工況下沿蝸殼周向各點(diǎn)的壓力脈動頻域特性。由圖6可知,蝸殼周向各點(diǎn)的壓力脈動主頻均在葉片通過頻率處。隔舌附近3個點(diǎn)的脈動幅值均較大,且高頻脈動成分較多;隨著圓周角的增大,各監(jiān)測點(diǎn)到隔舌的距離增加,壓力脈動幅值減小,葉片通過頻率逐漸居于統(tǒng)治地位,高頻脈動明顯減少?？梢?隔舌對離心泵壓力脈動頻域特性的影響顯著。

圖3 不同工況下同一蝸殼斷面上監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動時域

圖4 不同工況下同一斷面上監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動頻域

4 結(jié) 論

a.蝸殼流道內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動具有非常明顯的周期性,且在各種工況下的主頻均為葉片通過頻率。

圖5 設(shè)計工況下蝸殼周向不同監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動時域

圖6 設(shè)計工況下蝸殼周向不同監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動頻域

b.處于同一蝸殼斷面不同位置的監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動幅度不同,從蝸殼底部向蝸殼背面先減小后增大,且位于蝸殼底部監(jiān)測點(diǎn)的高頻脈動成分較多。

c.沿蝸殼周向,隔舌附近監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動幅度最大,頻域特性也最為復(fù)雜,高頻脈動成分十分明顯;隨著圓周角的增加,各監(jiān)測點(diǎn)沿周向與隔舌距離變大,脈動幅值逐漸減小,葉片通過頻率居于主導(dǎo)地位,高頻脈動成分很少。

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Numerical analysis of pressure fluctuation in the volute of centrifugal pump

//LIU Houlin,DU Hui,DONG Liang, WU Xianfang,LIU Dongxi(Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology,Jiangsu University,Zhenjiang212013,China)

In order to reveal the variation laws of the pressure fluctuation in the volute of a centrifugal pump,the threedimensional unsteady flow fields in the centrifugal pump under three different conditions are numerically solved by means of the Reynolds-averaged Navier-Stokes method.The pressure fluctuations at different points of the same section of the volute and different points along the circumferential direction of the volute are analyzed.The results show that the pressure fluctuations in the volute are obvious.The dominant frequencies under three conditions are found to be the ones that the blades pass.The pressure fluctuations at the same section decrease first and then increase from the bottom to the rear of the volute,and high-frequency fluctuations at the monitoring points on the bottom of the volute are evident.Along the circumferential direction,with the increase of circular angles,the pressure fluctuations decrease.The amplitude of pressure fluctuations is the largest near the tongue where high-frequency fluctuations dramatically increase.

centrifugal pump;tongue;pressure fluctuation;Reynolds-averaged Navier-Stokes method;numerical analysis

10.3880/j.issn.10067647.2013.01.004

TV136+.2

A

10067647(2013)01001804

2012-04-25 編輯:周紅梅)

國家自然科學(xué)基金(51179075,51079062);江蘇省自然科學(xué)基金(BK2009006,BK2010346);江蘇省成果轉(zhuǎn)化資金專項(xiàng)(BA2010155)

劉厚林(1971—),男,江蘇溧水人,研究員,博士,主要從事泵現(xiàn)代設(shè)計理論與方法研究。E-mail:liuhoulin@ujs.edu.cn