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        導(dǎo)流罩對(duì)推流器性能的影響研究

        2023-11-27 06:05:54張金金葛新峰楊修遠(yuǎn)楊孝才
        中國(guó)農(nóng)村水利水電 2023年11期
        關(guān)鍵詞:流器攪拌器讀數(shù)

        張金金,林 路,葛新峰,程 誠(chéng),楊修遠(yuǎn),楊孝才

        (1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院,江蘇 南京 210098;2.南京藍(lán)奧環(huán)境科技有限公司,江蘇 南京 211500;3.南京藍(lán)奧環(huán)保設(shè)備有限公司,江蘇 南京 211500)

        0 引言

        “雙碳”戰(zhàn)略倡導(dǎo)綠色、環(huán)保、低碳的生活方式。加快降低碳排放步伐,有利于引導(dǎo)綠色技術(shù)創(chuàng)新,提高產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的全球競(jìng)爭(zhēng)力。近些年,隨著我國(guó)對(duì)于環(huán)境問(wèn)題的逐漸重視,再加之潛水推流器具有安裝方便,易于維護(hù),操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),伴隨著潛水機(jī)電的設(shè)計(jì)和制造工藝不斷地進(jìn)步,潛水推流器已經(jīng)成為了我國(guó)非常重要的污水處理設(shè)備[1]。潛水?dāng)嚢铏C(jī)及泵一般都是連續(xù)地運(yùn)行,電力消耗是生命周期成本的重要因素。如何能高效節(jié)能地提高潛水推流器的性能是污水處理行業(yè)一直追求的目標(biāo)[2]。

        對(duì)于潛水推流器的研究主要有試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算兩部分,但由于試驗(yàn)研究的局限性,大多數(shù)學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法更為普遍,有關(guān)的試驗(yàn)研究還較為缺乏。田飛[3]等人對(duì)潛水式攪拌機(jī)攪拌的污水處理槽進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了整個(gè)槽內(nèi)流體的宏觀流場(chǎng)和各截面速度分布,并分析了潛水式攪拌機(jī)的軸向有效推進(jìn)距離和水截面的有效擾動(dòng)半徑。任向軒[4]等人研究出隨著葉片安放角的增加,潛水式攪拌器的軸功率以及推力不斷增大,葉片壓力面高壓區(qū)域也在逐漸增大。龔發(fā)云等[5]人以潛水式攪拌器槳葉為研究對(duì)象,探索其參數(shù)對(duì)攪拌效果的影響規(guī)律。SZULC[6]等著重探究了潛水式攪拌器性能評(píng)價(jià)的方法,并開(kāi)展實(shí)驗(yàn),將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與用穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬分析得到的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。B?O?SKI[7]等提出了一個(gè)具有已知幾何結(jié)構(gòu)的潛水推流器試驗(yàn),測(cè)量了推力、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和電動(dòng)率,采用理論方法對(duì)CFD 結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。CHOI[8]等在文章中預(yù)測(cè)了潛水式攪拌器的性能,探討了葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)性能特性的影響。

        本文采用試驗(yàn)與CFD 相結(jié)合的方法,對(duì)安裝導(dǎo)流罩推流器和未安裝導(dǎo)流罩推流器的下水運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)研究,利用稱重傳感器測(cè)量,計(jì)算得出不同工況下兩者推力和功率的大小關(guān)系。采用CFD 模擬方法,對(duì)兩者進(jìn)行非定常計(jì)算,分別對(duì)速度云圖、推功比、有效推進(jìn)距離進(jìn)行分析,以此揭示兩者運(yùn)行過(guò)程中的特性和規(guī)律,為潛水?dāng)嚢铏C(jī)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

        1 試驗(yàn)研究

        1.1 推力和功率測(cè)量機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

        推力和功率是衡量潛水?dāng)嚢杵餍阅艿闹匾獏?shù)[9],推力和功率測(cè)量機(jī)構(gòu)如圖1(a)中所示,潛水推流器推力的測(cè)量有直接測(cè)量法。直接測(cè)量法是利用類似于圖1(b)所示的布置結(jié)構(gòu),采用稱重傳感器直接測(cè)得的讀數(shù)F1乘以一個(gè)系數(shù)之后便可以得到潛水?dāng)嚢杵魍屏?,基本原理與杠桿原理一致,實(shí)際測(cè)量裝置的推力讀數(shù)應(yīng)為:

        圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Fig.1 Experimental design

        式中:F和F1分別表示潛水?dāng)嚢杵鞯耐屏头Q重傳感器所測(cè)得的推力;LM表示靠近推流器一端杠桿長(zhǎng)度;LLC表示靠近稱重傳感器一端杠桿長(zhǎng)度。

        1.2 試驗(yàn)工況

        試驗(yàn)考慮潛水推流器是否安裝導(dǎo)流罩對(duì)推力和功率的影響。潛水推流器進(jìn)行2 種工況方案的試驗(yàn),具體方案如表1所示。

        表1 潛水推流器試驗(yàn)工況Tab.1 Submersible thruster test conditions

        1.3 試驗(yàn)過(guò)程

        圖2(a)所示為安裝在支架上的有導(dǎo)流罩的潛水推流器實(shí)物圖,圖2(b)所示為稱重測(cè)力傳感器實(shí)物圖,它安裝在整個(gè)試驗(yàn)裝置的最上端。圖2(c)所示為安裝有導(dǎo)流罩的潛水推流器下水運(yùn)行的過(guò)程。圖2(d)所示為無(wú)導(dǎo)流罩的潛水推流器安裝在支架上的實(shí)物圖,圖2(e)所示為未安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器的下水過(guò)程,圖2(f)所示為記錄結(jié)果。

        圖2 試驗(yàn)過(guò)程Fig.2 Experimental process

        1.4 推力和功率測(cè)量

        由推力機(jī)構(gòu)的布置可知,杠桿兩端長(zhǎng)度、分別為1.05 m 和0.35 m,測(cè)量安裝導(dǎo)流罩潛水推流器的稱重傳感器讀數(shù)為2 220 N,未安裝導(dǎo)流罩潛水推流器的稱重傳感器讀數(shù)為2 931 N,根據(jù)稱重傳感器的讀數(shù)帶入到式(1)中便可以得到安裝導(dǎo)流罩潛水推流器的裝置實(shí)際測(cè)量到的推力讀數(shù)應(yīng)為740 N,未安裝有導(dǎo)流罩的潛水推流器的裝置實(shí)際測(cè)量到的推力讀數(shù)應(yīng)為977 N。選取的稱重傳感器量程至少應(yīng)大于其讀數(shù),同時(shí)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)力測(cè)量的不確定性應(yīng)滿足小于2%的要求,選取DYLY-103 型稱重傳感器以及DY920 力值測(cè)控儀。通過(guò)采集儀器獲得功率,安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器功率的功率讀數(shù)為903 W,未安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器的功率讀數(shù)為1 164 W。

        1.5 試驗(yàn)結(jié)果

        試驗(yàn)過(guò)程中記錄的結(jié)果如表2所示,試驗(yàn)結(jié)果表明不同工況下安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器的推力和功率分別小于未安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器的推力和功率。

        表2 潛水推流器試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Submersible thruster test results

        2 模型建立

        2.1 潛水推流器模型建立

        采用軟件UG12.0 進(jìn)行建模。坐標(biāo)系如圖3(a)中所示,坐標(biāo)原點(diǎn)位于轉(zhuǎn)輪中心處,實(shí)驗(yàn)池長(zhǎng)(沿X軸方向)14.78 m,寬(沿Y軸方向)6 m,水深(沿Z軸方向)3.5 m;潛水推流器布置在距離池底0.75 m、距離池壁1.5 m 處。潛水推流器分為兩種,第一種不帶有導(dǎo)流罩直徑為386 mm,第二種帶有導(dǎo)流罩直徑為405 mm,由于轉(zhuǎn)輪曲線較為復(fù)雜,故采用模型掃描的方法將實(shí)際數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入至電腦中,并基于上述基本數(shù)據(jù),構(gòu)建直徑為386 mm、高為120 mm 的圓柱形旋轉(zhuǎn)域以方便軟件計(jì)算。潛水推流器建模如圖3(b)和圖3(c)所示。

        圖3 坐標(biāo)系、試驗(yàn)池模型及潛水推流器模型Fig.3 Coordinate system,test cell model and submersible thruster model

        3 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

        采用ICEM 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,整體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來(lái)劃分試驗(yàn)池水池以及旋轉(zhuǎn)域,如圖4所示。

        圖4 導(dǎo)流罩及旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh delineation of the deflector and rotational domains

        如圖5所示,對(duì)網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證時(shí),分別對(duì)網(wǎng)格的五種不同數(shù)量的劃分方案(有導(dǎo)流罩為620 萬(wàn)、720 萬(wàn)、820 萬(wàn)、890萬(wàn)、960 萬(wàn),無(wú)導(dǎo)流罩為600 萬(wàn)、700 萬(wàn)、800 萬(wàn)、870 萬(wàn)、940 萬(wàn))進(jìn)行計(jì)算,可以得到網(wǎng)格數(shù)量和推力的關(guān)系,隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加,理論推力趨于穩(wěn)定。安裝導(dǎo)流罩和未安裝導(dǎo)流罩潛水推流器平均理論推力分別為756.4 N 和996.1 N,本文分別選用890萬(wàn)網(wǎng)格和870 萬(wàn)網(wǎng)格。

        圖5 網(wǎng)格總數(shù)-推力圖Fig.5 Total number of grids-thrust diagram

        4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

        4.1 速度云圖

        為了探究葉片的出口流場(chǎng),從葉片出口面向葉片方向(X軸負(fù)方向)截取平面,分別截取X=0.08 m、X=0.06 m、X=0.04 m、X=0.02 m處的速度云圖作為研究對(duì)象。

        如圖6 和圖7所示,未安裝導(dǎo)流罩葉輪與安裝導(dǎo)流罩葉輪的出口流場(chǎng)大體相似,流體在葉輪內(nèi)軸對(duì)稱地流動(dòng)。安裝導(dǎo)流罩潛水推流器明顯小于未安裝導(dǎo)流罩潛水推流器葉輪的出口流速。流體經(jīng)過(guò)葉片旋轉(zhuǎn)作用之后,與附近流體產(chǎn)生剪切應(yīng)力,從而形成體積流,使得受控流體攪拌推流[10]。安裝導(dǎo)流罩潛水推流器葉輪由于導(dǎo)流罩的限制作用,其小于未安裝導(dǎo)流罩潛水推流器葉輪的出口流速。所以,安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器要比未安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器所受到的推力小,故安裝導(dǎo)流罩潛水推流器小于未安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器的功率。

        圖6 安裝導(dǎo)流罩葉輪出口處速度云圖Fig.6 Velocity cloud at the outlet of the impeller with deflector installed

        圖7 未安裝導(dǎo)流罩葉輪出口處速度云圖Fig.7 Velocity cloud at the outlet of the impeller without the deflector cover

        4.2 數(shù)模結(jié)果驗(yàn)證

        轉(zhuǎn)輪在試驗(yàn)池中運(yùn)轉(zhuǎn),功率除去設(shè)備損耗之外應(yīng)全部應(yīng)用于克服流體壓力以及黏性力做功,因此只要知道了流體對(duì)于轉(zhuǎn)輪的扭矩以及轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速就可以計(jì)算出推流器的功率:

        其中,M和分別n表示扭矩和轉(zhuǎn)速,推流器的轉(zhuǎn)速為980r/min。推流器推力與推流器功率的比值為推力功率比:

        式中:F表示作用在潛水推流器上的推力;P表示推流器的功率。

        安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器推力圖和扭矩圖分別如8 和圖9所示。由圖8 可以看出經(jīng)過(guò)12.5 s,推力趨于平穩(wěn),為759.33 N。由圖9 可以看出,經(jīng)過(guò)9.7 s,扭矩值趨于穩(wěn)定,為8.66 N·m。由以上分析可知,安裝有導(dǎo)流罩的潛水推流器的推功比在12.5 s后趨于平穩(wěn),為0.85 N/W。

        圖8 推力圖Fig.8 Thrust diagram

        圖9 扭矩圖Fig.9 Torque diagram

        未安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器的推力,經(jīng)過(guò)6.32 s,推力趨于平穩(wěn),為1 003.39 N。未安裝導(dǎo)流罩的扭矩,經(jīng)過(guò)4.1 s,扭矩值趨于穩(wěn)定,為11.16 N·m。由以上分析可知,未安裝有導(dǎo)流罩的潛水推流器的推功比在6.32 s 后趨于穩(wěn)定,為0.88 N/W。結(jié)果表明安裝有導(dǎo)流罩潛水推流器的推功比小于未安裝導(dǎo)流罩潛水推流器的推功比。

        和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析,有無(wú)安裝導(dǎo)流罩潛水推流器的相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示,由表3 中數(shù)據(jù)分析可知,潛水推流器所受到的水推力的理論模擬值大于試驗(yàn)值,需要考慮到水對(duì)導(dǎo)桿的阻力作用、軸承的傳動(dòng)效率和水力損失,從而使得潛水推流器所受到的水推力的理論模擬值大于試驗(yàn)測(cè)量值。而潛水推流器的理論模擬功率值要比試驗(yàn)測(cè)量功率值小,考慮到軸承等摩擦力的作用,從而使得潛水推流器功率的理論模擬值小于試驗(yàn)值。模擬值與試驗(yàn)值的誤差在5%以內(nèi),結(jié)果說(shuō)明了數(shù)值模擬的正確性和試驗(yàn)的可靠性,安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器的推力、功率以及推功比比未安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器分別要減小24.3%、22.4%、2.4%。

        表3 推力和功率數(shù)模驗(yàn)證Tab.3 Thrust and power digital-analog verification

        4.3 推流器有效推進(jìn)距離

        有效推進(jìn)距離是衡量潛水推流器水力性能的主要指標(biāo)之一,有效推進(jìn)距離指在潛水?dāng)嚢杵鞯挠行Чぷ鲄^(qū)域內(nèi)(保持流速大于等于0.3 m/s 的條件下)[11],其對(duì)水流產(chǎn)生推進(jìn)作用的有效距離;攪拌器有效推進(jìn)距離所能包含的池中區(qū)域越大其起到的攪拌效果越好,潛水推流器在轉(zhuǎn)輪安裝斷面處速度云圖如圖10所示。

        圖10 潛水推流器在轉(zhuǎn)輪安裝斷面處速度云圖Fig.10 Velocity cloud of the submersible thruster at the rotor mounting section

        從圖10速度云圖分別可以看出,有無(wú)安裝導(dǎo)流罩潛水推流器在0.3 m/s 下為13.1 和12.5 m,0.4 m/s 下有效推進(jìn)距離為12.2和9.5 m,在0.6 m/s 下為8.5 和6.5 m。由此可見(jiàn):安裝導(dǎo)流罩可以增加高速推流器的推進(jìn)距離,有導(dǎo)流罩的推流器(工況1)的有效推進(jìn)距離比沒(méi)有導(dǎo)流罩的推流器(工況2)的有效推進(jìn)距離在0.3、0.4、0.6 m/s條件下分別增加了4.8%、28.4%、30.8%。

        5 結(jié)論

        文章采用試驗(yàn)和CFD 相結(jié)合的方法,通過(guò)試驗(yàn)獲得潛水推流器下水運(yùn)行過(guò)程中的試驗(yàn)推力、試驗(yàn)功率和試驗(yàn)推功比,通過(guò)CFD 分析方法獲得理論模擬推力、理論模擬功率、理論模擬推功比、速度云圖和有效推進(jìn)距離。主要結(jié)論如下:

        (1)通過(guò)開(kāi)展試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到了推力、功率及推功比,數(shù)值模擬和試驗(yàn)值相比誤差小于5%,安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器的推力、功率以及推功比比未安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器分別要減小24.3%、22.4%、2.4%。

        (2)安裝導(dǎo)流罩可以增加推流器的有效推進(jìn)距離,安裝導(dǎo)流罩與未安裝導(dǎo)流罩相比在0.3、0.4、0.6 m/s條件下有效推進(jìn)距離分別增加了4.8%、28.4%、30.8%。

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