馬慶勇,張奇志,張 林,馮思蘭
矩形迷宮泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬及試驗研究
馬慶勇,張奇志,張 林,馮思蘭
(中南林業(yè)科技大學(xué),湖南長沙 410004)
結(jié)合矩形迷宮螺旋泵的流動特點,采用雷諾平均N-S方程和RNG湍流模型,對矩形迷宮泵內(nèi)三維流場進行模擬,分析其轉(zhuǎn)子、定子面的流動情況和壓力狀態(tài),從而得到其內(nèi)部流動的主要特征和外特性。結(jié)合試驗結(jié)果,分析預(yù)測值和試驗進行分析,從而為矩形迷宮泵設(shè)計、改進、優(yōu)化提供有益補充。
迷宮泵;數(shù)值計算;性能預(yù)測
迷宮螺旋泵是一種非接觸性的動力泵[1,2],也是一種小流量、高揚程、低比轉(zhuǎn)速的新型特種泵,其特點是使用安全可靠、壽命長。使用中可獲得較低的比轉(zhuǎn)速(ns<<20)的穩(wěn)定工況。在輸送含顆粒黏性介質(zhì)、耐腐蝕介質(zhì)和超低流量工況中有獨特優(yōu)勢,隨著我國現(xiàn)代化工、石油化工工業(yè)的不斷發(fā)展,需要小流量、高揚程的場合越來越多,故迷宮螺旋泵被廣泛應(yīng)用于機械、化工、石油部門中輸送腐蝕性介質(zhì)或含顆粒的腐蝕性介質(zhì)。迷宮螺旋泵中的螺旋體作為輸送介質(zhì)的做功元件,其螺旋槽截面形狀和幾何參數(shù)的選擇對泵性能影響較大。一般來說,三角形迷宮泵所獲得揚程最高,半圓形迷宮泵的效率最高,而矩形、梯形迷宮泵居于其中。本文以矩形迷宮泵為研究對象,采用CFD軟件對其流場進行數(shù)值模擬,分析其流動情況,預(yù)測其性能特點,并通過試驗來驗證其模擬結(jié)果。
迷宮螺旋泵是在迷宮螺旋密封的基礎(chǔ)上演變而來的,它的主要部件是一對帶有多頭螺紋的轉(zhuǎn)子和定子,但轉(zhuǎn)子和定子上的螺紋旋向相反,且之間留0.1~0.5mm的徑向間隙,此間隙所形成的工作腔體稱為迷宮螺旋體,當(dāng)轉(zhuǎn)子逆其自身螺旋方向旋轉(zhuǎn)時,螺旋槽對槽中液體作用力一方面推動液體克服摩擦力作圓周運動,另一方面還推動液體沿軸向前進,這樣液體由黏性而產(chǎn)生的摩擦力作用在槽內(nèi)的液體上,使之產(chǎn)生軸向反壓,轉(zhuǎn)子和定子對液體的總軸向推力就形成了迷宮螺旋體的泵送壓力,當(dāng)然,高壓側(cè)流體在壓差的作用下,順著轉(zhuǎn)子和定子組成的螺旋槽間隙流動,形成壓差流,當(dāng)泵送流大于壓差流時,就形成了一臺迷宮螺旋泵[3~6]。迷宮泵結(jié)構(gòu)如圖1所示,轉(zhuǎn)子螺紋如圖2所示。
圖1 迷宮泵結(jié)構(gòu)示意
圖2 定轉(zhuǎn)子螺紋示意
設(shè)計泵基本參數(shù):流量Q=2.5m3/h,揚程H=48m,轉(zhuǎn)速n=2950r/m in,比轉(zhuǎn)速ns=15.56螺旋槽的槽型形狀為矩形螺旋槽,其幾何參數(shù)根據(jù)設(shè)計要求計算確定,其中槽深t=3.0mm,螺棱寬a=1.7mm,螺槽寬b=3.40mm,頭數(shù)z=20,螺旋升角α=65°,螺旋體長度L=300mm,螺桿與螺套之間的間隙為30mm。
3.1 控制方程
數(shù)值模擬采用N-S方程并以k-ε湍流模型組成閉合方程組,由于迷宮螺旋泵自身的特點,容易產(chǎn)生回流和二次流等。RNG模型在預(yù)測回流和分流流動問題中,獲得了令人滿意的效果,同時由于迷宮螺旋泵內(nèi)部轉(zhuǎn)子,定子流道的復(fù)雜性,在進出口處易產(chǎn)生回流,所以本文采用標(biāo)準 RNGk-ε 模型[7~10]。
其中
式中μeff——有效黏性系數(shù)
μ ——分子黏性系數(shù)
3.2 邊界條件
由于流量已知,進口采用速度進口,進口壓力取大氣壓。湍動能k,湍動能耗散值ε采用經(jīng)驗公式出口采用自由出流。
3.3 網(wǎng)格劃分
由于螺旋槽尺寸比較小,又是傳動的主要部件,故需進行加密。在網(wǎng)格劃分過程中將整個計算區(qū)域分為3個子區(qū)域:子區(qū)域一:由進口與進液環(huán)腔組成;子區(qū)域二:出口和出液環(huán)腔部分;子區(qū)域三:中間螺旋腔部分。網(wǎng)格結(jié)點距離定義為1.5,最終生成網(wǎng)格626584個。3個區(qū)域的網(wǎng)格用Tg rid進行合并。
3.4 模擬結(jié)果及分析
本文以清水為流體材料,在轉(zhuǎn)速為n=2950r/m in時,對矩形迷宮螺旋泵內(nèi)部流場進行了三維湍流數(shù)值模擬計算,得到了其速度場和壓力場的分布情況,模擬結(jié)果如圖3~7所示。
(1)圖4中,Y=10mm、Y=160mm、Y=290mm分別表示距離xoz平面軸向距離10,160,290mm的圓周截面。從圖3,4可看出,隨著動、定子的轉(zhuǎn)動,螺紋槽內(nèi)的速度越來越大,且定子內(nèi)速度大于轉(zhuǎn)子內(nèi)速度。
(2)由定、轉(zhuǎn)子速度場分布(圖3,4)可知,在螺旋轉(zhuǎn)子的作用下,使螺旋槽內(nèi)的介質(zhì)獲得能量。轉(zhuǎn)子區(qū)域的流體的速度大于定子區(qū)域的流體速度,說明轉(zhuǎn)子螺旋部分對泵工作的貢獻比定子螺旋部分大。螺旋轉(zhuǎn)子螺紋腔內(nèi)介質(zhì)在螺紋斜面推力作用下,獲得徑向和周向速度;其速度矢量方向大體沿螺旋升角方向周向旋轉(zhuǎn)前進。而在反向的螺旋定子螺紋腔內(nèi)軸向推進速度相對較小,甚至出現(xiàn)反向流動,出現(xiàn)液流紊亂。在高速旋轉(zhuǎn)螺旋轉(zhuǎn)子作用下,介質(zhì)有較大的圓周速度并且均勻分布。在螺旋腔內(nèi),由于壓能的增大,使得越靠近螺旋腔出口處的速度逐漸增大。
圖3 轉(zhuǎn)、定子對稱面速度矢量分布
圖4 轉(zhuǎn)、定子圓周端面速度分布
(3)由轉(zhuǎn)、定子壓力場分布(見圖5~7)可知,壓力從進口到出口沿螺旋槽逐漸升高,在出口處由于能量損失而有明顯衰減。
圖5 對稱面上總壓等值線分布
圖6 定子螺紋槽內(nèi)上總壓等值線分布
圖7 轉(zhuǎn)子螺紋槽內(nèi)總壓等值線分布
試驗在湖南省水力機械質(zhì)量監(jiān)督檢驗授權(quán)站試驗臺上進行,以常溫清水為介質(zhì)。按GB/T3216-2016進行試驗,試驗從零流量開始,到大流量點均勻取13測試點。同時采用CFD分析方法通過靜壓圖、流場分析圖等工具,計算出每個流量點的性能數(shù)據(jù),為了和試驗對比,同樣取零流量到大流量點13個點。試驗性能曲線和CFD模擬性能曲線的對比如圖8所示。
圖8 試驗與CFD模擬性能曲線對比
從圖8曲線可知:此工況下最優(yōu)工況點為Q=2.3m3/h,效率可達到 24% 以上,H=54.5m,N=1.39kW。從測試性能曲線可看出:最優(yōu)工況點也在Q=2.3m3/h附近,H=50.2m,效率可接近達23%,但在設(shè)計流量Q=2.5m3/h處時,效率為,與設(shè)計值25%存在一定的差異。從兩者曲線的對比情況可看出:兩者的變化規(guī)律相同,說明了CFD計算方法可以較為真實地預(yù)測矩形迷宮螺旋泵的外特性,取得了比較理想的效果,但在準確性上存在一定的偏差。
對比試驗曲線和模擬曲線可知,試驗曲線均明顯低于CFD模擬曲線,這是因為,在實際的泵運轉(zhuǎn)中,泵會產(chǎn)生3種損失:機械損失、容積損失和水力損失,合成以后才是泵總的效率。而模擬試驗中,3種損失并不一定存在。這是因為:(1)由于采用理想的液體和理想的邊臂條件,機械損失在模擬中并沒考慮;(2)由轉(zhuǎn)定子組成的過流部件,雖沒有傳統(tǒng)泵的容積損失大,但也會有沿著定子邊臂的回流(很?。识嗌僖矔a(chǎn)生一些容積損失;(3)水力損失分沿程損失(水力摩擦損失)和局部損失,模擬中沒考慮沿程的損失。故CFD由于模擬中未考慮機械損失、容積損失、水力損失中的沿程損失(水力摩擦損失),故模擬結(jié)果會比實際結(jié)果偏大。
(1)從圖3,4可得,液流進入液環(huán)腔處會出現(xiàn)二次回流的現(xiàn)象,這是由于不均勻的滯止壓力受不規(guī)則流線曲率和螺旋轉(zhuǎn)子的哥氏力作用。
(2)從圖5~7可得,介質(zhì)出口處有較大的壓降,可能是因為液流由螺旋區(qū)進入出液環(huán)腔流道突然增大,并且到泵出口,有流動方向的改變。在設(shè)計時可以考慮通過增大進口液腔的環(huán)空體積,或改變出液環(huán)腔成流線形狀向出口過渡以降低出口壓力損失。
(3)從圖8可得,數(shù)值模擬的計算結(jié)果和試驗所反映的外特性規(guī)律基本一致,這說明文中采用的計算模型基本符合迷宮泵內(nèi)部流場的實際情況,為迷宮泵的數(shù)值模擬提供依據(jù)。尤其目前在迷宮泵設(shè)計理論還不完善情況下,可以用數(shù)值計算作為泵性能預(yù)測和改進設(shè)計;在圖8中CFD預(yù)測的揚程H和效率η都略高于試驗值,這是因為數(shù)值模擬采用理想的流體和理想邊臂條件,而實際流體有沿程損失和局部過流面積變化的損失,故揚程和效率都會偏低。
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Numerical Calculation and Experimental Study on Rectangle Labyrinth Screw Pump
MA Qing-yong,ZHANG qi-zhi,ZHANG Lin,F(xiàn)ENG Si-lan
(Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,China)
Combining with the flow characteristics of rectangle labyrinth screw pump,using Reynolds averaged N-S equation and RNG turbulence model,Three dimensional flow field in a rectangular labyrinth pump is simulated,analyzed to the flow condition and pressure state of the rotor and stator was obtain the main characteristics and external characteristics of the internal flow/Combining test result,analysis the distinguishing of predicted values and tests result,So as to provide a useful supplement for the design,improvement and optimization of the rectangular labyrinth pump.
serew pump;numerical calculation;performance prediction
TH3
A
10.3969/j.issn.1005-0329.2017.11.001
1005-0329(2017)11-0001-04
2016-08-03
2016-09-30
馬慶勇(1980-),男,講師,主要從事流體機械方面的研究,通訊地址:410004湖南長沙市韶山南路498號中南林業(yè)科技大學(xué)機電工程學(xué)院,E-m ail:g lodb raver@qq.com。