馬慶勇,張奇志,張 林,馮思蘭
矩形迷宮泵內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬及試驗(yàn)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(zhǎng)沙 410004)
結(jié)合矩形迷宮螺旋泵的流動(dòng)特點(diǎn),采用雷諾平均N-S方程和RNG湍流模型,對(duì)矩形迷宮泵內(nèi)三維流場(chǎng)進(jìn)行模擬,分析其轉(zhuǎn)子、定子面的流動(dòng)情況和壓力狀態(tài),從而得到其內(nèi)部流動(dòng)的主要特征和外特性。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果,分析預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)進(jìn)行分析,從而為矩形迷宮泵設(shè)計(jì)、改進(jìn)、優(yōu)化提供有益補(bǔ)充。
迷宮泵;數(shù)值計(jì)算;性能預(yù)測(cè)
迷宮螺旋泵是一種非接觸性的動(dòng)力泵[1,2],也是一種小流量、高揚(yáng)程、低比轉(zhuǎn)速的新型特種泵,其特點(diǎn)是使用安全可靠、壽命長(zhǎng)。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(dú)特優(yōu)勢(shì),隨著我國(guó)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(yáng)程的場(chǎng)合越來(lái)越多,故迷宮螺旋泵被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、石油部門(mén)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(duì)泵性能影響較大。一般來(lái)說(shuō),三角形迷宮泵所獲得揚(yáng)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(duì)象,采用CFD軟件對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,分析其流動(dòng)情況,預(yù)測(cè)其性能特點(diǎn),并通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)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(lái)的,它的主要部件是一對(duì)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(chēng)為迷宮螺旋體,當(dāng)轉(zhuǎn)子逆其自身螺旋方向旋轉(zhuǎn)時(shí),螺旋槽對(duì)槽中液體作用力一方面推動(dòng)液體克服摩擦力作圓周運(yùn)動(dòng),另一方面還推動(dòng)液體沿軸向前進(jìn),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(duì)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(dòng),形成壓差流,當(dāng)泵送流大于壓差流時(shí),就形成了一臺(tái)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(jì)泵基本參數(shù):流量Q=2.5m3/h,揚(yáng)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(jì)要求計(jì)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(zhǎng)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(diǎn),容易產(chǎn)生回流和二次流等。RNG模型在預(yù)測(cè)回流和分流流動(dòng)問(wèn)題中,獲得了令人滿(mǎn)意的效果,同時(shí)由于迷宮螺旋泵內(nèi)部轉(zhuǎn)子,定子流道的復(fù)雜性,在進(jìn)出口處易產(chǎn)生回流,所以本文采用標(biāo)準(zhǔn) 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(jìn)口采用速度進(jìn)口,進(jìn)口壓力取大氣壓。湍動(dòng)能k,湍動(dòng)能耗散值ε采用經(jīng)驗(yàn)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(dòng)的主要部件,故需進(jìn)行加密。在網(wǎng)格劃分過(guò)程中將整個(gè)計(jì)算區(qū)域分為3個(gè)子區(qū)域:子區(qū)域一:由進(jìn)口與進(jìn)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(diǎn)距離定義為1.5,最終生成網(wǎng)格626584個(gè)。3個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格用Tg rid進(jìn)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(shí),對(duì)矩形迷宮螺旋泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了三維湍流數(shù)值模擬計(jì)算,得到了其速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)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(dòng)、定子的轉(zhuǎn)動(dòng),螺紋槽內(nèi)的速度越來(lái)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(chǎng)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(shuō)明轉(zhuǎn)子螺旋部分對(duì)泵工作的貢獻(xiàn)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(jìn)。而在反向的螺旋定子螺紋腔內(nèi)軸向推進(jìn)速度相對(duì)較小,甚至出現(xiàn)反向流動(dòng),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(duì)稱(chēng)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(chǎng)分布(見(jiàn)圖5~7)可知,壓力從進(jìn)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(duì)稱(chēng)面上總壓等值線(xiàn)分布
圖6 定子螺紋槽內(nèi)上總壓等值線(xiàn)分布
圖7 轉(zhuǎn)子螺紋槽內(nèi)總壓等值線(xiàn)分布
試驗(yàn)在湖南省水力機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)授權(quán)站試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行,以常溫清水為介質(zhì)。按GB/T3216-2016進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)從零流量開(kāi)始,到大流量點(diǎn)均勻取13測(cè)試點(diǎn)。同時(shí)采用CFD分析方法通過(guò)靜壓圖、流場(chǎng)分析圖等工具,計(jì)算出每個(gè)流量點(diǎn)的性能數(shù)據(jù),為了和試驗(yàn)對(duì)比,同樣取零流量到大流量點(diǎn)13個(gè)點(diǎn)。試驗(yàn)性能曲線(xiàn)和CFD模擬性能曲線(xiàn)的對(duì)比如圖8所示。
圖8 試驗(yàn)與CFD模擬性能曲線(xiàn)對(duì)比
從圖8曲線(xiàn)可知:此工況下最優(yōu)工況點(diǎn)為Q=2.3m3/h,效率可達(dá)到 24% 以上,H=54.5m,N=1.39kW。從測(cè)試性能曲線(xiàn)可看出:最優(yōu)工況點(diǎn)也在Q=2.3m3/h附近,H=50.2m,效率可接近達(dá)23%,但在設(shè)計(jì)流量Q=2.5m3/h處時(shí),效率為,與設(shè)計(jì)值25%存在一定的差異。從兩者曲線(xiàn)的對(duì)比情況可看出:兩者的變化規(guī)律相同,說(shuō)明了CFD計(jì)算方法可以較為真實(shí)地預(yù)測(cè)矩形迷宮螺旋泵的外特性,取得了比較理想的效果,但在準(zhǔn)確性上存在一定的偏差。
對(duì)比試驗(yàn)曲線(xiàn)和模擬曲線(xiàn)可知,試驗(yàn)曲線(xiàn)均明顯低于CFD模擬曲線(xiàn),這是因?yàn)?,在?shí)際的泵運(yùn)轉(zhuǎn)中,泵會(huì)產(chǎn)生3種損失:機(jī)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(yàn)中,3種損失并不一定存在。這是因?yàn)椋海?)由于采用理想的液體和理想的邊臂條件,機(jī)械損失在模擬中并沒(méi)考慮;(2)由轉(zhuǎn)定子組成的過(guò)流部件,雖沒(méi)有傳統(tǒng)泵的容積損失大,但也會(huì)有沿著定子邊臂的回流(很?。?,故多少也會(huì)產(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(méi)考慮沿程的損失。故CFD由于模擬中未考慮機(jī)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(huì)比實(shí)際結(jié)果偏大。
(1)從圖3,4可得,液流進(jìn)入液環(huán)腔處會(huì)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(xiàn)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?yàn)橐毫饔陕菪齾^(qū)進(jìn)入出液環(huán)腔流道突然增大,并且到泵出口,有流動(dòng)方向的改變。在設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮通過(guò)增大進(jìn)口液腔的環(huán)空體積,或改變出液環(huán)腔成流線(xiàn)形狀向出口過(guò)渡以降低出口壓力損失。
(3)從圖8可得,數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)所反映的外特性規(guī)律基本一致,這說(shuō)明文中采用的計(jì)算模型基本符合迷宮泵內(nèi)部流場(chǎng)的實(shí)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(jì)理論還不完善情況下,可以用數(shù)值計(jì)算作為泵性能預(yù)測(cè)和改進(jìn)設(shè)計(jì);在圖8中CFD預(yù)測(cè)的揚(yáng)程H和效率η都略高于試驗(yàn)值,這是因?yàn)閿?shù)值模擬采用理想的流體和理想邊臂條件,而實(shí)際流體有沿程損失和局部過(guò)流面積變化的損失,故揚(yáng)程和效率都會(huì)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(jī)械方面的研究,通訊地址:410004湖南長(zhǎng)沙市韶山南路498號(hào)中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,E-m ail:g lodb raver@qq.com。